Materialvitenskap
Auxetiske materialer har mange bruksområder. Avanserte algoritmer gjør dem nå enklere å lage
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Auxetiske materialer krymper og utvider seg i den transversale retningen når de blir utsatt for aksial kompresjon og strekk, henholdsvis. De reagerer på en måte som er motintuitiv i forhold til vanlige elastiske materialer og viser derfor en negativ Poissons forhold. Dette forholdet måler deformasjonen i en retning vinkelrett på den påførte kraften. I motsetning til vanlige elastiske materialer blir auxetiske materialer, ved kompresjon, tynnere i retningen vinkelrett på den påførte kraften.
Disse materialene har blitt populære de siste par tiårene på grunn av deres nyttige egenskaper, som god bruddseighet, høy innrykk-/slagmotstand, skjærmodul, god energiadopsjon, synklastisk deformasjon og høy transversal deformasjon. De har også høy motstand mot innrykk og overlegen overflateisotropi.
Alle disse egenskapene har beriket auxetiske materialer, og sikrer at de har bred anvendelighet. I de følgende delene vil vi se på noen av disse bruksområdene innen medisinsk vitenskap og helsevesen, kjøretøyteknikk, beskyttelsesingeniørkunst, bekledning osv.
Auxetiske materialer i helse- og medisinsk vitenskap
Høyt tetthets auxetisk polyetylen brukes til å utvikle kunstige intervertebrale skiver for ryggkirurgi. Disse skivene kan bøyes og vri seg og kan potensielt gi forbedret biomekanisk ytelse sammenlignet med tradisjonelle skiveutskiftingsløsninger. Deres auxetiske egenskaper forhindrer buler som kan skade omkringliggende nerveender, og gjør at skiven perfekt etterligner oppførselen til en naturlig lumbar intervertebral skive.
En auxetisk pedikelskru ble også foreslått for å forbedre den biomekaniske interaksjonen mellom det omkringliggende beinet og skruen, hovedsakelig for ryggraden.
Forskning har også hjulpet forskere med å utvikle en auxetisk geometrisk koronar stent basert på 316L medisinsk rustfritt stål. Denne stenten kan utvide seg både i radial- og lengderetning og kan optimaliseres for en spesifikk diameter og karlengde for å skape et bestemt lumenvolum, og minimerer stentens negative påvirkning på karveggen.
Auxetiske materialer har også vist seg nyttige i andre medisinske anvendelser, som hofteimplantatstammer, fiksering for lange ben, hjerteplaster, nasofaryngeale prøvetakinger, ortopediske innleggssåler og mer. De er også verdifulle innen vevsteknologi og fabrikasjon av strukturer og membraner for in‑vitro medisinsk utstyr.
Klikk her for å lære hvordan avansert additiv ingeniørkunst baner vei for myk robotikk.
Auxetiske materialer i kjøretøyteknikk
Nyere forskning har vist at auxetiske materialer og strukturer kan tilby en overlegen designmetode som forbedrer energiadopsjonskarakteristikkene til tradisjonelle tynnsveggede rørstøtfangere og energiadoptende bokser.
Disse strukturene vil ha større stivhet, fordel i energiadopsjon ved kollisjoner med middels hastighet og lengre bufferperiode for energiadopsjon av kollisjonen samt akselerasjons‑deakselerasjonsprosessen for passasjerene. De scorer også høyt når det gjelder energiadopsjonskapasitet, energiadopsjonseffektivitet og andre ytelsesindekser.
En av forskerne på dette området foreslo spesifikt en støtfanger som bestod av en auxetisk sandwich‑bjelkestruktur og en kombinasjon av energiadoptende blokk, optimalisert med en flerobjektivalgoritme, som forbedret kjøretøyets frontale kollisjonsstyrke.
Auxetiske materialer i beskyttelsesingeniørkunst
Bruken av auxetiske strukturer i beskyttelsesingeniørkunst oppsto på grunn av deres høye energiadopsjon, forbedrede innrykk‑kompresjonsstyrke og forbedrede skjærstyrke.
Forskningen bidro til å finne auxetiske honningkake‑sandwich‑panelstrukturer som kan beskytte den forsterkede betongkonstruksjonen mot kraftig påvirkning og nærliggende eksplosjonsbelastninger.
I tillegg hadde sylindriske sandwich‑paneler med auxetisk effekt sterkere blastmotstandsegenskaper, og de kunne brukes til effektivt å designe robuste flyskall, romfartøyer, ubåtskropp, drivstofftanker, kullgruveskjelter og andre buede strukturer.
Auxetiske materialer i bekledningsingeniørkunst
Den transversale ekspansjonsegenskapen til auxetiske materialer under belastning hjelper til med å danne doble kurver under bøying. Denne egenskapen gjør at klær laget av disse materialene kan tilpasse seg de endrede konturene av menneskekroppen under bevegelse. Forskning viser at auxetisk stoff for graviditetsklær har lavere spenningskonsentrasjon sammenlignet med tradisjonelle motparter. De er også komfortable å ha på.
Dette brede spekteret av anvendelsesmuligheter har ført til en økt etterspørsel etter auxetiske materialer. For å møte denne økende etterspørselen har forskere utviklet en tre‑trinns oppskrift for å designe auxetiske materialer på forespørsel.
En tre‑trinns prosedyre for å lage auxetiske materialer på forespørsel
Forskerne ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Chicago har gjort målrettede innsats for å akselerere markedslanseringen av auxetiske produkter.
Mer presist har disse forskerne utviklet et algoritmeverktøy som hjelper med presis tredimensjonal design av auxetiske strukturer. Ifølge studiens medforfatter, Edwin Chan, en materialforsker fra NIST:
“Vi kan faktisk optimalisere materialet til å ha hvilke som helst spesifikke mekaniske egenskaper og oppførsel du ønsker.”
Forskerne har presentert verden med en samlet ramme for å beskrive todimensjonale perfekte auxetiske strukturer. Denne presentasjonen er et resultat av en større erkjennelse om at forståelse og kontroll av den perfekte auxetiske grensen kan tillate oss å rasjonelt designe realistiske auxetiske strukturer med en skreddersydd geometrisk struktur der Poissons forhold forblir negativt.
Mens de utdypet den større betydningen av studien, hadde forskerne følgende å si:
“Vår teori forener ikke bare en stor klasse av eksisterende auxetiske strukturer, inkludert tidligere auxetiske rigide enhetssystemer, men gjør også at man kan skape et stort mangfold av dem, med nye og varierte geometrier, inkludert det noe unnvikende isotrope auxetiske materialet.”
Siden forskerne var interessert i å forstå oppførselen til perfekte auxetiske strukturer, brukte de den minimale todimensjonale modellen for roterende enheter. Enhetene besto av en rekke polygoner koblet sammen med fjærer med null naturlengde. Hver rigid enhet hadde tre frihetsgrader: to translasjonale og en rotasjonsgrad. Denne modellen hjalp med å fastslå fremkomsten av den auxetiske floppy‑modusen og introduserte elastisitet i materialer slik at ikke‑ideelle scenarier også kunne studeres.
Resultatet av den vitenskapelige undersøkelsen var i form av en oppskrift som vil hjelpe med å bygge perfekte auxetiske strukturer. Den krever tre ingredienser:
- Et bipartitt nettverk vil tillate enhetene å rotere i motsatt retning i forhold til hverandre.
- I utgangspunktet og i ro må hver par av nabopolygoners posisjonsvektorer og vertexen mellom dem være kollineære.
- Forholdet mellom avstanden fra et polygon til en av dets hjørner og avstanden fra nabopolygonet til samme hjørne må være en konstant i nettverket.
Forskerne påpeker at teorienes unikhet ligger i at den ikke er begrenset til gitterstrukturer og kan anvendes direkte på uordnede nettverk. Dette gjør det mulig å bygge de første isotrope perfekte auxetiske materialene. Forskerne er også hjelpsomme ved at teorien kan utvides til 3D polyedriske materialer.
Selv om denne forskningen er et gjennombrudd, har arbeidet med auxetiske materialer pågått i en god stund nå. I de følgende delene vil vi se på selskaper som har gjort banebrytende arbeid med dem.
#1. Nike
Et av de ledende merkene som har gjort avansert arbeid innen dette området av auxetiske strukturer er Nike. Nikes patent nr US9402439B2 omhandler auxetiske strukturer som gjør det mulig å bygge såler med auxetiske strukturer.
Vanligvis består fottøy av minst to hovedkomponenter:
- En overdel som gir innkapslingen for å motta brukerens fot
- En såle festet til overlæret som fungerer som den primære kontakten med bakken eller spilloverflaten
Sålen kan inneholde tre delsegmenter: en innersåle, en mellomsåle og en yttersåle. I Nikes patenterte fottøy er minst ett lag av sålen laget av en auxetisk struktur. Det refereres til som den auxetiske laget.
Løping, vending, hopping eller akselerasjon med disse skoene påfører det auxetiske laget økt lengde‑ eller sidespenning, noe som øker både lengde og bredde. Dermed gir det forbedret trekkraft og absorberer noe av påvirkningen fra spilloverflaten.
Nike mener at disse skoene kan være fordelaktige for en rekke sport- og fritidsaktiviteter, inkludert tennis og andre racketsporter, gåing, jogging, løping, fottur, håndball, trening, løping eller gåing på tredemølle, samt lagidretter som basketball, volleyball, lacrosse, gresshockey og fotball.
NKE Prisdiagram
For hele regnskapsåret 2023 rapporterte Nike inntekter på US$51,2 milliarder, opp 10 prosent sammenlignet med året før og opp 16 prosent på valutaneutralt grunnlag.
#2. Airbus
Airbus Defence and Space mottok et patent på en deformerbar auxetisk struktur og produksjonsprosess. Oppfinnelsen har som mål å gi lettvektsbeskyttelse mot høyenergi‑påvirkninger i flyskrog og -systemer ved hjelp av en enkelt integrert sandwich‑panel som utnytter den todimensjonale auxetiske oppførselen i de to retningene som danner panelets overflate.
Airbus antyder at slik beskyttelse ville være svært gunstig i høyt integrerte bakre motor‑drevne flykonfigurasjoner, inkludert Open‑Rotor eller Boundary‑Layer Ingestion‑arkitekturer. I disse konfigurasjonene kreves beskyttelsestiltak (skjold) på grunn av sikkerhetsbekymringer mot høyenergi‑påvirkninger på flyskroget fra propellbladutløsing (PBR) og motoravfall (ukontrollert motorrotasjonsfeil med små fragmenter og tredje skive).
Strukturen har en auxetisk oppsett bestående av flere sammenkoblede tredimensjonale auxetiske celler. Dette designet sikrer at uavhengig av om overflateelementet har en plan overflate, en kurvet overflate eller en sammensetning av ulike planoverflater, vil den resulterende strukturen oppnå auxetisk oppførsel på hver av disse planene. I tillegg vil den vise auxetisk oppførsel i mer enn én dimensjon vinkelrett på hovedretningen for påvirkningen.
I 2023 registrerte Airbus en inntekt på mer enn 65 milliarder euro, en betydelig økning fra 58,8 milliarder euro tjent i 2022.
Skape auxetiske materialer: Hvordan fremtiden ser ut
Forskningen som åpnet vår diskusjon kunne oppnå mange gjennombrudd. Den kan tilby en enkel modell for å lage, designe og karakterisere roterende enhets‑auxetiske strukturer. Modeller som validerer teorien var kraftige for enkel simulering av materialegenskaper mens bøyningskrefter ble ignorert. Imidlertid var modellene også egnet til å ta hensyn til bøyning ved behov. Arbeidet førte til etableringen av grunnregler for å skape aldri‑før‑sette isotrope perfekte auxetiske strukturer. Det eneste som kreves er mer forskning på dynamisk og vibrasjonsanalyse.
Mens forskning og utforskning er en uendelig prosess innen vitenskap og teknologi, må det foretas mer undersøkelser av levedyktigheten til auxetiske materialer som forsterkning, spesielt for belastningsbærende anvendelser. Overdrevne deformasjoner er nødvendige for å aktivere fordelene som følger av auxetisitet. Disse deformasjonene kan overskride tjenestebetingelsene som er spesifisert for strukturelle elementer under statisk belastning. I denne sammenheng har forskerne påpekt behovet for skreddersydde design som oppfyller både styrke‑ og stivhetskrav.
Innen biomedisinsk anvendelse oppstår behovet for 3D‑auxetiske strukturer, som kun kan oppnås gjennom additive produksjonsprosesser. Disse prosessene bør forbedres for å sikre langsiktig ytelse av medisinsk utstyr. Den avanserte algoritme‑baserte prosessen for å lage auxetiske strukturer kan være nyttig i disse tilfellene, ettersom de fleste additive teknologier fører til iboende anisotrope resultater på grunn av lag‑for‑lag‑prosessen, noe som kan påvirke de mekaniske egenskapene til løsningene.
Selv om disse utfordringene vedvarer, er forskerne håpefulle om at noen av fremtidige trender, dersom de skaleres opp med suksess, kan føre til en mer entusiastisk adopsjon av auxetiske strukturer. Slike trender inkluderer å skape synergier mellom 4D‑utskrift og auxetiske geometrier, produksjon av formminne‑materialer og -mekanismer, osv.
Auxetiske strukturer kan også finne økt bruk i bio‑hybride materialer, hvor en auxetisk skjelettstruktur kolonisert av celler kan føre til mer autonome aktuatorer. Ifølge forskerne er disse materialene i stand til å overgå nåværende tilgjengelige “smarte”, aktive eller multifunksjonelle materialer og strukturer.
Et av de fremste eksemplene på bruk av bio‑hybrider er i form av mikro‑roboter med auxetisk chassis og mekanismer drevet av levende celler. Disse løsningene, spesielt de elektrisk stimuli‑aktiverte kardiomyocyttene eller muskel‑ og skjelettceller, kan brukes som kirurgiske aktuatorer i fremtiden.
Alt i alt gir auxetiske strukturer oss et minefelt av muligheter. Alt som trengs er mer forskning og ressurser for å skalere opp og levere gjennomførbare løsninger som varer svært lenge.
