Fra romfart til hjemmebruk: Avanserte auxetiske måleinstrumenter klare for bred anvendelse

Auxetiske materialer skiller seg fra klassiske materialer ved at de viser negative Poissons forhold. Med andre ord, under den strekkraften som påføres i lengderetningen, utvider auxetiske materialer seg i den vinkelrette tverrgående retningen. 

Forskere fortsetter å lete etter auxetiske egenskaper i materialer. Nylig har Noah Stocek, en PhD-student som samarbeider med Western-fysiker Giovanni Fanchini, har utviklet et slikt nanomateriale. 

To-dimensjonale auxetiske nanoblader

Begge forskerne arbeidet ved Interface Science Western for å utvikle 2‑D nanoblader av tungsten semi‑karbid, også kjent som W2C. Dette er kjemiske forbindelser som inneholder like deler av wolfram- og karbonatomer. I tråd med egenskapene til auxetiske materialer, utvider disse nanomaterialene seg vinkelrett på den påførte kraften når de strekkes i én retning. 

Utviklingen er betydningsfull fordi det kun er det andre materialet som kan utvide seg betydelig på en måte som er motsatt av klassiske materialer. Før dette var det kun ett rapportert materiale som kunne utvide seg med 10 prosent per enhetslengde på en tilsynelatende motsatt måte. Det nåværende nanomaterialet, tungsten semi‑karbid nanoblader, kan utvide seg med 40 prosent. Det er en ny verdensrekord. Mens han forklarte prestasjonen av denne utviklingen, sa Stoeck: 

“I 2018 forutsa teoretikere at det kunne vise denne oppførselen på et utmerket nivå, men ingen hadde klart å utvikle det, til tross for omfattende forsøk fra forskningsgrupper over hele verden.”

For å forklare mer detaljert hva Stoeck og Fanchini utviklet, rapporterte de vitenskapelig og eksperimentelt om et ad hoc designet dual‑sone fjern‑plasmadeponeringssystem som kunne dyrke tungstenkarbider utenfor termodynamisk likevekt med nøye justerte forhold av W‑ og C‑forløpere. Forskningen fremhevet de spesifikke forholdene der dette systemet tillot syntese av flak av få‑lag tungsten semikarbid (FL‑W2C). Disse flakene var todimensjonale i natur, da de kunne beholde sin periodisitet på mesoskoptisk nivå i en Stranski–Krastanov vekstprosess.

Et nytt skifte fra kjemiske metoder til plasmafysikk

Utviklerduoen identifiserte tidlig i prosessen at det var umulig å konstruere et nytt tungsten semi‑karbid nanomaterial ved hjelp av kjemiske metoder. Som et resultat skiftet de til plasmafysikk, med mål om å danne lag av enkeltatomer. 

For å gjennomføre utviklingen av nanomaterialet ved å utnytte plasmametoder, gikk utviklerduoen bort fra den konvensjonelle veien med spesielle ovner hvor gasser kunne varmes opp til høy temperatur for å reagere kjemisk og danne stoffet. De designet et nytt tilpasset instrumentssystem for å produsere plasma, som inneholder elektrisk ladede partikler. 

Anvendelser av det nyutviklede nanomaterialet

En av de mest nyttige potensielle anvendelsene av disse nanoblader kan være en radikalt ny type strekkmåler. Disse målerne kan måle utvidelse på en svært effektiv måte og strekkes i alt, fra flyvinger til husholdningsrør.

Siden disse materialene er mer elektrisk ledende, kan de brukes i sensorer eller enheter for å oppdage endringer og skift i miljøet. Ikke bare kan de oppdage disse materialene, men på grunn av deres ‘sensor’-egenskaper kan de også sende informasjon til annen elektronikk. 

Forestill deg at du vil vite om et rør i huset ditt deformeres og risikerer å sprekke på et tidspunkt. Du kan feste en sensor på røret laget av dette todimensjonale nanomaterialet og deretter bruke en datamaskin til å overvåke strømmen som går gjennom den. Hvis strømmen øker, betyr det at røret utvider seg og risikerer å sprekke. 
I fremtiden vil mer utvikling av auxetiske egenskaper i et materiale definitivt føre til nye løsninger. For nå er selskaper som Michigan Scientific Corporation og Omega dypt involvert i produksjon og utvikling av strekkmålere. Disse selskapene kan begynne å utnytte denne utviklingen og det produserte nanomaterialet som et resultat for å videreutvikle sin produkt-/løsningsportefølje. 

#1. Omega

Omega, et DwyerOmega‑merke, kan utnytte nanomaterialet for ytterligere å styrke sin robuste og mangfoldige strekkmålerproduktlinje. Dens membran‑strekkmålere kan måle deformasjon og belastning i en rekke anvendelser, inkludert trykk, kraft, forskyvning og strekk i metaller, plast og kompositter. Den duale parallelle strekkmålerproduktlinjen hjelper med pålitelig å måle bøyespenning i ulike anvendelser. 

Omega har også torsjons‑ og skjærstrekkmålere, lineære strekkmålere, T‑rosette‑strekkmålere og rosette‑strekkmålere. Med stramme toleranser for enklere justering gir Omegas målere pålitelig ytelse og langsiktig stabilitet. Dens Full Bridge‑ og Half Bridge‑strekkmålere viser utmerket linearitet over et bredt temperaturområde. 

Dens T‑Rosette‑strekkmålere kan måle effektene av temperatur, belastning og vibrasjon på komponenter. De er spesielt nyttige for å måle biaxiale spenninger med kjente hovedretninger.

Selskapet er perfekt posisjonert til enten å utvikle en ny produktlinje basert på auxetiske måleinstrumenter eller utvide sin eksisterende produktlinje med auxetiske egenskaper. 

DwyerOmega oppsto som et merke etter at Dwyer Instruments, Inc. avtalte å kjøpe OMEGA Engineering, Inc. fra Spectris plc (LSE:SXS) for omtrent $530 millioner 19. april 2022. Dwyer betalte US$525 millioner til en verdivurdering på omtrent 20,4 ganger Omegas justerte EBITDA for 2021. For regnskapsåret 2021 genererte Omega en omsetning på £129 millioner ($168 millioner) og justert EBITDA på £19,7 millioner ($25,7 millioner).

#2. Michigan Scientific Corporation

Michigan Scientific Corporation, et privat selskap basert i Charlevoix, Michigan, USA, er kjent for å tilby et bredt spekter av ingeniørtjenester, produkter og løsninger. Et område hvor dette selskapet kan briljante utnytte denne utviklingen er sine strekkmåler‑tjenester. 

Selskapet er spesialist på å designe og lage tilpassede strekkmåler‑transdusere, som kan brukes i en rekke tilfeller, inkludert måling av kjøretøyets fjæringskrefter, drivlinjetorquer, styringskomponentkrefter, motor- og motorbelastninger, og bremsetorquer på kjøretøy i felt. 

Michegans løsninger inkluderer akseltorque‑transdusere, veivaksel‑transdusere, skjærpin‑transdusere, og produkter for halvaksel‑strekkmåling, drivaksel‑strekkmåling, aksialkraft‑måling, og mer. 

Disse løsningenes instrumenteringsapplikasjoner inkluderer kretskortinstrumentering for overvåking av stress, termiske kammerdørpaneler som overvåkes for deformasjon under produksjon, og fullt instrumenterte industrielle drivaksel. Disse løsningene samler også inn og analyserer data innhentet fra prosjektene de er implementert i. 

Vi har allerede sett at ‘sensor’-egenskapene til nyutviklede strekkmålere øker deres verdi. Dette ville også være en verdiforbedring for Morgan Scientific Corporation, som driver med installasjon av strekkmålere på stedet hos kunder for å instrumentere kundens komponenter og registrere data som støtter en rekke test‑ og utviklingsaktiviteter. 

Andre betydelige nylige fremskritt innen auxetikk

Auxetikk i sivil konstruksjon

Ifølge rapporter publisert i International Journal of Protective Structures, finner auxetiske materialer økende bruk i felt relatert til sivil ingeniørkunst. De kan kombineres med sementbaserte materialer i ulike former, inkludert skum‑mørtel‑kompositt, stoff‑mørtel‑kompositt, og fiberforsterket sementkompositt. 

Auxetiske skummelag, for eksempel, viser seg nyttige ved ettermontering av sprø murvegger under kompresjon. De øker betydelig etter‑flyt‑deformasjons‑herdingseffekten i den sementbaserte kompositten.

Auxetiske stoffer gir høyere skjærstivhet og bemerkelsesverdig bruddseighet. Som et resultat er disse komposittene nyttige for å overvinne utfordringene som den lave kompresjonsstyrken til Auxetic Foam Mortar (AFM) med sin porøse struktur og lave tetthet medfører.

Den auxetiske fiberforsterkede sementkompositten løser mange av de konvensjonelle sementmaterialenes ulemper, inkludert dårlig duktilitet, utilstrekkelig strekkstyrke, og lav bruddseighet.

Auxetikk i fibre

Auxetiske fibre kan brukes i en rekke områder, inkludert komposittmaterialer, personlig verneklær, møbelpolstring, tau, snorer, fiskegarn og mye mer. Egenskapene som auxetiske fibre gir disse bruksområdene inkluderer fiber‑trekk‑motstand, fiber‑bruddseighet, energiinntak, tetnings‑ og innrykk‑motstand, støt‑motstand, og mer.

Auxetikk i biomedisin 

Auxetiske materialer kan bidra betydelig til de biomedisinske delsegmentene av proteser, kirurgiske implantater, sutur‑/muskel‑/ligament‑ankre, og til og med dilatatorer som hjelper til med å åpne blodårer under hjertekirurgi. 

Auxetikk for å forbedre kvaliteten på piezoelektriske materialer

Elektroder kan bygges av auxetiske metaller. Disse elektrodene kan fungere ved å sandwiche en piezoelektrisk polymer eller ved å innlemme piezoelektriske keramiske stenger i en auxetisk polymermatrise. De har betydelig forbedringskapasitet for piezoelektrisk ytelse og kan øke enhetens følsomhet med minst en faktor på to og opptil så høyt som hundre.

Bruk av auxetikk i filtre

Rengjøring av tilstoppede filtre er mulig ved bruk av auxetisk skum og bikakefiltre. Spesielt hjelper de auxetiske innlemmingene med å justere filterporene til en effektiv størrelse og form. De kompenserer også for effektene av trykkoppbygging i et tilstoppet filter. Et auxetisk filter kan åpne opp porene i begge retninger—langs og vinkelrett på retningen av den påførte strekkbelastningen.

Design av etterspurte auxetiske materialer

Som segmentene ovenfor viser, utvides bruken av avanserte auxetiske materialer raskt og sprer seg daglig til nye anvendelsesområder. For å møte denne etterspørselen har forskere allerede gjennomført verdifulle studier om design av auxetiske materialer på forespørsel.

I 2022, en forskning med tittelen ‘A three step recipe for designing auxetic materials on demand‘ kom i publikasjon hvor forskerne etablerte et samlet rammeverk for å beskrive todimensjonale perfekte auxetiske materialer med potensiell bruk i design av nye materialer.

Forskningen bygde tungt på den naturlige forbindelsen mellom roterende stive enheter og antiferromagnetiske spinnsystemer. Forskerne utdypet også forholdene som fremmer fremveksten av en ikke‑triviell fleksibel modus som forårsaker auxetisk oppførsel.

Forskningen pekte mot tre design for nye auxetiske materialer: en eksotisk krystall, en Penrose‑kvasi‑krystall, og en lenge ettertraktet isotropisk auxetisk. Studien hevdet at auxetisiteten til disse designene kunne forbli robust under små strukturelle forstyrrelser, bekreftet gjennom eksperimenter og numeriske simuleringer.

Forsknings­teorien representerte hvert design med en minimal modell. Disse modellene var basert på polygoner og fjærer som kunne fange modellens essensielle kollektive respons på ytre belastninger.

Forskerne håpet at disse modellene kunne simuleres direkte for å teste materialenes egenskaper mens bøyningskrefter ignoreres. En annen betydelig prestasjon i forskningsresultatene var evnen til å generalisere oppførselen til auxetiske domenemurer og naturlige teksturer som disse systemene har på grunn av deres analogi med magnetiske systemer.

Til slutt hevdet de involverte i forskningen at den var banebrytende ved å kunne etablere grunnregler for å skape aldri‑før‑sett isotropiske perfekte auxetiske materialer. De var også håpefulle om at forskningen kunne finne anvendelse i produksjon av 3D‑polyedriske materialer.

Klikk her for å lære mer om potensialet til nanoskalering 3D‑utskrift.

Veien videre for avanserte auxetiske materialer

Det er nå uten tvil bevist at auxetiske strukturer har gått fra en enkelt designfase til tilpassede løsninger som kan betjene et spekter av funksjoner. Dens utvikling har vist varianter av elementære 2D‑mønstre, hybride strukturer og innovative ytelses‑orienterte dimensjonsoppgraderinger. Utviklingen har også sett en utvidelse av listen over materialer som kan ha innebygde auxetiske egenskaper. Listen over kompatible materialer inkluderer nå polymerer, keramikk, metaller, biomaterialer, sement, tekstiler og sementbaserte forbindelser.

Diversifiserte strukturelle modeller og generelle fremstillingsmodeller – begge har sett forbedringer, noe som resulterer i auxetisk oppførsel hos materialer med høy stivhet. Forskere og teknologer ser også på de stress‑redistribuerende egenskapene til auxetiske materialer.

Imidlertid må noen utfordringer overvinnes for at auxetiske materialer skal bli mer avanserte. For eksempel krever ytelse under høyhastighets‑impact og mekanismene for deformasjon og svikt nærmere undersøkelse. Mer arbeid er nødvendig for implementering av støt‑motstand. Tilstrekkelig oppmerksomhet på disse aspektene kan gjøre auxetiske materialer til et vitenskapelig og teknologisk trekk med enorm verdi i hverdagslivet.

Klikk her for listen over fem selskaper som leder utviklingen av nanoteknologi.