Mula sa Aerospace hanggang sa mga Aplikasyon sa Bahay, Advanced na Auxetic Gauges Handang Gamitin sa Malawakang Paggamit

Ang mga auxetic na materyales ay naiiba sa mga klasikong materyales dahil nagpapakita sila ng negatibong Poisson’s ratio. Sa ibang salita, sa ilalim ng puwersang tensyon na inilalapat sa pahabang direksyon, ang mga auxetic ay lumalawak sa patayong direksyon. 

Patuloy na naghahanap ang mga siyentipiko ng mga katangian ng auxetic sa mga materyales. Kamakailan, si Noah Stocek, isang mag-aaral ng PhD na nakikipagtulungan kay Western physicist Giovanni Fanchini, ay nakabuo ng isang ganitong nanomaterial. 

Dalawang Dimensional na Auxetic Nanosheets

Parehong nagtrabaho ang mga siyentipiko sa Interface Science Western upang bumuo ng 2-D nanosheets ng tungsten semi-carbide, kilala rin bilang W2C. Ito ay mga kemikal na compound na naglalaman ng pantay na bahagi ng mga atomong tungsten at carbon. Sumusunod sa mga katangian ng auxetic na materyales, ang mga nanomaterial na ito ay lumalawak nang patayo sa puwersang inilapat kapag hinila sa isang direksyon. 

Mahalaga ang pag-unlad na ito dahil ito lamang ang pangalawang materyal na malaki ang paglawak sa paraan na kabaligtaran ng mga klasikong materyales. Bago ito, iisang materyal lamang ang naiulat na maaaring lumawak ng 10 porsyento bawat yunit ng haba nang hindi inaasahan. Ang kasalukuyang nanomaterial, ang tungsten semi-carbide nanosheet, ay maaaring lumawak ng 40 porsyento. Ito ay isang bagong world record. Habang ipinaliwanag ang tagumpay ng pag-unlad na ito, sinabi ni Stoeck: 

“Noong 2018, inihula ng mga teorista na maaaring magpakita ito ng ganitong pag-uugali sa napakagandang antas, ngunit walang nakapag-develop nito, sa kabila ng malawak na pagsubok ng mga pangkat ng pananaliksik sa buong mundo.”

Upang mas detalyadong ipaliwanag kung ano ang binuo nina Stoeck at Fanchini, kanilang siniyensiyang at eksperimentong iniulat ang isang ad hoc na dinisenyong dual-zone remote plasma deposition system na maaaring magpatubo ng tungsten carbides mula sa thermodynamic equilibrium na may maayos na ratio ng mga precursor na W at C. Ipinakita ng pananaliksik ang mga tiyak na kondisyon kung saan pinahintulutan ng sistemang ito ang pagsintesis ng mga flake ng ilang-layer na tungsten semicarbide (FL-W2C). Ang mga flake na ito ay dalawang-dimensional, dahil maaari nilang panatilihin ang kanilang periodicity sa mesoscopic level sa isang Stranski–Krastanov growth process.

Isang Bagong Paglipat mula sa Kemikal na Paraan patungo sa Plasma Physics

Natuklasan ng magkasamang developer sa napakaunang yugto ng kanilang proseso na imposibleng makabuo ng bagong tungsten semi-carbide nanomaterial gamit ang kemikal na paraan. Bilang resulta, lumipat sila sa plasma physics, na may layuning bumuo ng mga patong ng iisang atom. 

Upang maisakatuparan ang pag-unlad ng nanomaterial sa pamamagitan ng mga pamamaraan ng plasma, lumayo ang magkasamang developer mula sa tradisyunal na ruta ng pagkakaroon ng mga espesyal na pugon kung saan maaaring painitin ang mga gas sa mataas na temperatura upang kemikal na mag-react at mabuo ang sangkap. Nagdisenyo sila ng bagong customized na instrument system para sa paglikha ng plasma, na naglalaman ng mga electrically charged particles. 

Mga Aplikasyon ng Bagong Binuong Nanomaterial

Isa sa pinaka-kapaki-pakinabang na potensyal na aplikasyon ng mga nanosheet na ito ay isang radikal na bagong uri ng strain gauge. Ang mga gauge na ito ay maaaring sukatin ang paglawak sa napakaepektibong paraan at mag-unat sa lahat ng bagay, mula sa pakpak ng eroplano hanggang sa tubo sa bahay.

Dahil mas electrically conductive ang mga materyales na ito, maaari silang magamit sa mga sensor o device upang matukoy ang mga pagbabago at paggalaw sa kapaligiran. Hindi lamang nila matutuklasan ang mga materyales na ito, kundi dahil sa kanilang ‘sensor’ capabilities, maaari rin silang magpadala ng impormasyon sa iba pang electronics. 

Isipin mo kung gusto mong malaman kung ang isang tubo sa iyong bahay ay nagde-deform at may panganib na pumutok sa isang punto. Maaari kang maglagay ng sensor sa tubo na gawa mula sa dalawang-dimensional na nanomaterial na ito at pagkatapos ay gumamit ng computer upang subaybayan ang kuryente na dumadaloy dito. Kung tumataas ang kuryente, nangangahulugan ito na ang tubo ay lumalawak at may panganib na pumutok. 

“Imagine if you want to know if a pipe in your house is deforming and risks bursting at some point. You can stick a sensor on the pipe made from this two-dimensional nanomaterial and then use a computer to monitor the current passing through it. If the current rises, it means the pipe is expanding and risks bursting.”

Sa hinaharap, ang higit pang pag-unlad sa auxetic na katangian ng isang materyal ay tiyak na magdadala ng mga bagong solusyon. Sa ngayon, ang mga kumpanya tulad ng Michigan Scientific Corporation at Omega ay malalim na nakatuon sa paggawa at pag-develop ng strain gauge. 

#1. Omega

Ang Omega, isang tatak ng DwyerOmega, ay maaaring gamitin ang nanomaterial upang higit pang palawakin ang kanilang matibay at iba’t-ibang linya ng produkto ng strain gauge. Ang kanilang diaphragm strain gauges ay maaaring sukatin ang strain at stress sa iba’t-ibang aplikasyon, kabilang ang pressure, force, displacement, at strain sa mga metal, plastik, at composite. Ang dual parallel strain gauge product line ay tumutulong na maaasahang sukatin ang bending stress sa iba’t-ibang aplikasyon. 

Mayroon ding torsion at shear strain gauges ang Omega, linear strain gauges, t-rosette strain gauges, at rosette strain gauges. Sa mahigpit na toleransya para sa mas madaling pag-align, nag-aalok ang mga gauge ng Omega ng maaasahang performance at pangmatagalang katatagan. Ang kanilang Full Bridge at Half Bridge Strain Gauges ay nagpapakita ng mahusay na linearity at compatibility sa malawak na saklaw ng temperatura. 

Ang kanilang T-Rosette strain gauges ay maaaring sukatin ang epekto ng temperatura, load, at vibration sa mga komponent. Lalo silang kapaki-pakinabang sa pagsukat ng biaxial stresses na may kilalang pangunahing direksyon.

Ang kumpanya ay perpektong nakaposisyon upang mag-develop ng bagong linya ng produkto batay sa auxetic gauges o palawakin ang kanilang kasalukuyang linya ng produkto na may auxetic properties. 

Ang DwyerOmega ay lumitaw bilang isang tatak matapos ang Dwyer Instruments, Inc. nagkasundo na bilhin OMEGA Engineering, Inc. mula sa Spectris plc (LSE:SXS) para sa humigit-kumulang $530 million noong Abril 19, 2022. Nagbayad ang Dwyer ng US$525 million sa isang valuation na humigit-kumulang 20.4x ng 2021 adjusted EBITDA ng Omega. Para sa taong pinansyal 2021, nakalikom ang Omega ng benta na £129 million ($168 million) at adjusted EBITDA na £19.7 million ($25.7 million).

#2. Michigan Scientific Corporation

Ang Michigan Scientific Corporation, isang pribadong kumpanya na nakabase sa Charlevoix, Michigan, United States, ay kilala sa pag-aalok ng iba’t-ibang engineering services, produkto, at solusyon. Isang larangan kung saan maaaring mahusay na magamit ng kumpanyang ito ang pag-unlad na ito ay ang kanilang mga serbisyo sa strain gauge. 

Ang kumpanya ay dalubhasa sa pagdidisenyo at paglikha ng custom strain gauge transducers, na maaaring magamit sa iba’t-ibang kaso, kabilang ang pagsukat ng puwersa ng suspensyon ng sasakyan, torque ng powertrain, puwersa ng mga bahagi ng steering, load ng makina at motor, at braking torque sa mga sasakyan sa field. 

Kasama sa mga solusyon ng Michigan ang shaft torque transducers, crankshaft transducers, shear pin transducers, at mga produkto para sa half-shaft strain gauging, driveshaft strain gauging, axial force gauging, at iba pa. 

Ang mga aplikasyon ng instrumentation ng mga solusyong ito ay kinabibilangan ng instrumentation ng circuit board para sa pag-monitor ng stress, mga panel ng pinto ng thermal chamber na minomonitor para sa deformation sa panahon ng paggawa, at ganap na instrumentadong industrial-sized drive shafts. Ang mga solusyong ito ay nag-iipon at nag-aanalisa rin ng data na nakuha mula sa mga proyektong kanilang inilalagay. 

Nakita na natin na ang ‘sensor’ capabilities ng bagong binuong strain gauges ay nagdadagdag sa kanilang halaga. Ito ay magiging karagdagang halaga para sa Morgan Scientific Corporation din, na nasa negosyo ng pag-install ng strain gauges sa site ng customer upang i-instrument ang mga komponent ng customer at irekord ang data upang suportahan ang iba’t-ibang aktibidad ng pagsubok at pag-develop. 

Iba pang Mahahalagang Kamakailang Pag-unlad sa Auxetics

Auxetics sa Sibil na Konstruksyon

Ayon sa mga ulat na inilathala sa International Journal of Protective Structures, ang mga auxetic na materyales ay nagiging mas laganap sa mga larangan na may kaugnayan sa civil engineering. Maaari silang pagsamahin sa cementitious material sa iba’t-ibang anyo, kabilang ang foam-mortar composite, fabric-mortar composite, at fiber-reinforced cement composite. 

Ang mga auxetic foam layer, halimbawa, ay kapaki-pakinabang sa retrofitting ng brittle masonry walls sa ilalim ng compression. Malaki ang naidudulot nila sa post-yield strain hardening effect sa cementitious composite.

Ang mga auxetic fabrics ay nag-aalok ng mas mataas na shear stiffness at kapansin-pansing fracture toughness. Bilang resulta, ang mga composite na ito ay kapaki-pakinabang sa pagtagumpayan ng mga hamon na dulot ng mababang compressive strength ng Auxetic Foam Mortar (AFM), na may porous na estruktura at mababang densidad.

Ang Auxetic fiber-reinforced cement composite ay nilulutas ang marami sa mga kahinaan ng tradisyonal na cementitious material, kabilang ang mahina na ductility, kakulangan sa tensile strength, at mababang fracture toughness.

Auxetics sa Hibla

Ang mga auxetic fibers ay maaaring magamit sa iba’t-ibang larangan, kabilang ang composite materials, personal protective clothing, upholstery, lubid, kordon, fishnet, at marami pang iba. Ang mga katangian na pinapagana ng auxetic fibers sa mga aplikasyon na ito ay kinabibilangan ng fiber pull-out resistance, fiber fracture toughness, energy absorption, densification at indentation resistance, impact resistance, at iba pa.

Auxetics sa Biomedical 

Ang auxetics ay maaaring mag-ambag nang malaki sa mga subsegment ng biomedical tulad ng prosthetics, surgical implants, suture/muscle/ligament anchors, at kahit mga dilator na tumutulong magbukas ng mga daluyan ng dugo sa panahon ng operasyon sa puso. 

Auxetics sa Pagpapahusay ng Kalidad ng Piezoelectrics

Ang mga electrode ay maaaring gawin mula sa auxetic na mga metal. Ang mga electrode na ito ay maaaring gumana sa pamamagitan ng pag-sandwich ng piezoelectric polymer o pag-embed ng piezoelectric ceramic rods sa isang auxetic polymer matrix. Mayroon silang malaking kakayahan na mapabuti ang performance ng piezoelectric at maaaring dagdagan ang sensitivity ng device ng hindi bababa sa dalawang beses at hanggang sa isang daang beses.

Paggamit ng Auxetic sa mga Filter

Ang paglilinis ng mga fouled filter ay posible gamit ang auxetic foam at honeycomb filters. Partikular, ang mga auxetic inclusion ay tumutulong i-adjust ang mga pores ng filter sa epektibong laki at hugis. Binabalanse rin nila ang mga epekto ng pressure build-up sa isang fouled filter. Ang isang auxetic filter ay maaaring buksan ang mga pores sa parehong direksyon—pahalang at patayo sa direksyon ng tensile load.

Pagdidisenyo ng On-Demand na Auxetic Materials

Tulad ng ipinakita ng mga segment sa itaas, ang paggamit ng advanced auxetics ay mabilis na lumalawak at araw-araw na kumakalat sa mga bagong larangan ng aplikasyon. Upang matugunan ang pangangailangang ito, nagsagawa na ang mga mananaliksik ng mahahalagang pag-aaral sa pagdidisenyo ng auxetic materials on demand. 

Noong 2022, isang A three step recipe for designing auxetic materials on demand ang nailathala kung saan itinatag ng mga mananaliksik ang isang pinag-isang balangkas upang ilarawan ang bidimensional perfect auxetics na may potensyal na magamit sa pagdidisenyo ng mga bagong materyales. 

Ang pananaliksik ay malalim na humugot sa natural na koneksyon sa pagitan ng pag-ikot ng rigid units at antiferromagnetic spin systems. Inilahad din ng mga mananaliksik ang mga kondisyon na nagpapadali sa pag-usbong ng isang non-trivial floppy mode na nagdudulot ng auxetic behavior. 

Itinuro ng pananaliksik ang tatlong disenyo para sa mga bagong auxetics: isang exotic crystal, isang Penrose quasicrystal, at isang matagal nang hinahangad na isotropic auxetic. Ipinahayag ng pananaliksik na ang auxeticity ng mga disenyo ay maaaring manatiling matatag sa ilalim ng maliliit na structural disturbances, na napatunayan ng mga eksperimento at numerical simulations. 

Ipinakita ng teorya ng pananaliksik ang bawat disenyo sa pamamagitan ng isang minimal na modelo. Ang mga modelong ito ay batay sa mga polygon at springs na maaaring hulihin ang mahalagang kolektibong tugon ng mga modelong ito sa external loads. 

Umaasa ang mga mananaliksik na ang mga modelong ito ay maaaring i-simulate nang direkta upang subukan ang mga katangian ng materyales habang hindi isinasaalang-alang ang mga puwersa ng pagbaluktot. Isa pang mahalagang tagumpay ng mga resulta ng pananaliksik ay ang kakayahan nitong i-generalize ang pag-uugali ng auxetic domain walls at natural textures ng mga sistemang ito dahil sa kanilang pagkakahawig sa magnetic systems.

Sa huli, idineklara ng mga kasangkot sa pananaliksik na ito ay groundbreaking dahil maaari nitong itakda ang mga batayang patakaran para sa paglikha ng mga hindi pa nakikitang isotropic perfect auxetics. Umaasa rin sila na ang pananaliksik ay maaaring magamit sa paggawa ng 3D polyhedral materials.

I-click dito upang matuto tungkol sa potensyal ng nanoscale 3D printing.

Ang Landas Pasulong para sa Advanced Auxetics

Patunayan na ngayon nang walang pag-aalinlangan na ang mga auxetic structure ay lumipat mula sa yugto ng iisang disenyo patungo sa mga customized na solusyon na maaaring magsilbi sa iba’t-ibang tungkulin. Ang pag-unlad nito ay nakakita ng iba’t-ibang elemental 2D patterns, hybrid structures, at makabagong performance-oriented dimensional upgrades. Ang pag-unlad ay nasaksihan din ang paglawak sa listahan ng mga materyales na maaaring magkaroon ng auxetic features. Ang listahan ng mga compatible na materyales ay ngayon kinabibilangan ng polymers, ceramics, metals, biomaterials, semento, tela, at cementitious compounds.

Ang diversified structural models at generalized fabrication models—pareho ay nakakita ng mga pagpapabuti, na nagreresulta sa auxetic behavior ng mga materyales na may mataas na rigidity. Ang mga mananaliksik at teknolohista ay tumitingin din sa mga katangian ng stress-redistributing ng auxetic materials. 

Gayunpaman, upang maging mas advanced ang auxetics, kailangan pang malampasan ang ilang hamon. Halimbawa, ang performance sa high-velocity impact at ang mga mekanismo ng deformation at failure ay nangangailangan ng masusing pagsusuri. Kailangan pa ng karagdagang trabaho sa pagpapatupad ng impact resistance. Ang sapat na atensyon sa mga aspeto na ito ay maaaring gawing auxetics na isang scientific at technological feature na may napakalaking halaga sa pang-araw-araw na buhay.

I-click dito para sa listahan ng limang kumpanya na nangunguna sa pag-develop ng nanotechnology.