Malzeme Bilimi
Auxetik Malzemeler Geniş Kullanım Alanlarına Sahiptir. Gelişmiş Algoritmalar Artık Onları Oluşturmayı Daha Kolay Hale Getiriyor
Auxetik malzemeler, eksenel sıkıştırma ve gerilime maruz kaldıklarında sırasıyla enine yönde büzülür ve genişler. Yaygın elastik malzemelere karşı sezgisel olmayan bir şekilde tepki verirler ve bu nedenle negatif Poisson oranı gösterirler. Bu oran, uygulanan kuvvete dik yöndeki deformasyonu ölçer. Geleneksel elastik malzemelerin aksine, auxetik malzemeler sıkıştırıldığında, uygulanan kuvvete dik yönde daha ince hale gelir.
Bu malzemeler, iyi kırılma dayanımı, yüksek çökme/darbe direnci, kayma modülü, iyi enerji absorpsiyonu, sinklastik deformasyon ve yüksek enine gerilme gibi faydalı özellikleri sayesinde son birkaç on yılda popülerlik kazanmıştır. Ayrıca yüksek çentik direnci ve üstün yüzey izotropisine sahiptirler.
Tüm bu özellikler auxetik malzemeleri zenginleştirerek bu malzemelerin geniş bir kullanılabilirliğe sahip olmasını sağlamıştır. Aşağıdaki bölümlerde, tıp bilimi ve sağlık hizmetleri, araç mühendisliği, koruma mühendisliği, giyim vb. alanlarda bazı kullanım örneklerine bakacağız.
Sağlık ve Tıp Bilimlerinde Auxetik Malzemeler
Yüksek yoğunluklu auxetik polietilen, spinal cerrahi için yapay intervertebral diskler geliştirmek amacıyla kullanılmaktadır. Bu diskler bükülebilir ve döndürülebilir ve potansiyel olarak geleneksel disk değiştirme çözümlerine kıyasla geliştirilmiş biyomekanik performans sağlayabilir. Auxetik özellikleri, çevredeki sinir uçlarına zarar verebilecek şişkinlikleri önler, diskin doğal bir lumbar intervertebral diskin davranışını mükemmel bir şekilde taklit etmesini sağlar.
Omurga için özellikle, çevredeki kemik ile vida arasındaki biyomekanik etkileşimi iyileştirmek amacıyla auxetik pedikül vidası da önerilmiştir.
Araştırmalar, bilim insanlarının 316L tıbbi sınıfı paslanmaz çelikten auxetik geometrili bir koroner stent geliştirmesine de yardımcı oldu. Bu stent, radyal ve uzunlamasına yönlerde genişleyebilir ve belirli bir çap ve damar uzunluğu için optimize edilerek belirli bir lümen hacmi oluşturur, böylece stentin damar duvarına olan olumsuz etkisini en aza indirir.
Auxetik malzemeler, kalça implant gövdeleri, uzun kemik sabitlemeleri, kardiyak yama, nazofarengeal swablar, ortopedik tabanlıklar ve daha fazlası gibi diğer tıbbi uygulamalarda da faydalı olduğu kanıtlanmıştır. Ayrıca doku mühendisliği ve in‑vitro tıbbi cihazlar için yapı ve membran üretiminde de değerlidir.
Araç Mühendisliğinde Auxetik Malzemeler
Son araştırmalar, auxetik malzemelerin ve yapıların geleneksel ince duvarlı tüp tamponları ve enerji emici kutuların enerji absorpsiyon özelliklerini iyileştiren üstün bir tasarım yöntemi sağlayabileceğini göstermiştir.
Bu yapılar, orta hızlı çarpışmalarda daha yüksek rijidite ve enerji absorpsiyon avantajı sağlayacak ve çarpışmanın enerji absorpsiyonu ile yolcuların ivme‑yavaşlama süreci için daha uzun bir tampon süresi sunacaktır. Ayrıca enerji absorpsiyon kapasitesi, enerji absorpsiyon verimliliği ve diğer performans göstergeleri açısından yüksek puan alırlar.
Bu alandaki araştırmacılardan biri, çok amaçlı bir algoritma ile optimize edilmiş auxetik sandviç kiriş yapısı ve enerji emici blok kombinasyonundan oluşan bir tampon önerdi; bu, aracın ön çarpışma dayanıklılığını artırdı.
Koruma Mühendisliğinde Auxetik Malzemeler
Koruma mühendisliğinde auxetik yapıların kullanımı, yüksek enerji absorpsiyonu, geliştirilmiş çökme basınç dayanımı ve artırılmış kayma dayanımı özelliklerinden kaynaklanmaktadır.
Araştırmalar, güçlendirilmiş beton yapıyı şiddetli darbe ve yakın patlama yüklerinden koruyabilecek auxetik petek sandviç panel yapılarını bulmaya yardımcı oldu.
Ayrıca, auxetik etkiye sahip silindirik sandviç paneller daha güçlü patlama direnci özelliklerine sahipti ve bunlar, dayanıklı uçak gövdeleri, uzay araçları, denizaltı gövdeleri, yakıt tankları, kömür madeni sığınakları ve diğer kavisli yapıları verimli bir şekilde tasarlamak için kullanılabilir.
Giyim Mühendisliğinde Auxetik Malzemeler
Yük altında auxetik malzemelerin enine genişleme özelliği, bükülme sırasında çift eğriliklerin oluşmasına yardımcı olur. Bu özellik, bu malzemelerden üretilen giyimin hareket sırasında insan vücudunun değişen konturlarına uyum sağlamasını mümkün kılar. Araştırmalar, auxetik kumaştan yapılmış hamile giyiminin geleneksel muadillerine kıyasla daha düşük gerilme yoğunluğu gösterdiğini ortaya koymuştur. Ayrıca giyimi rahat bir hale getirir.
Bu geniş uygulama yelpazesi, auxetik malzemelere olan talebin artmasına yol açmıştır. Bu artan talebi karşılamak için araştırmacılar, talep üzerine auxetik malzemeler tasarlamak için üç adımlı bir tarif geliştirmiştir.
Talep Üzerine Auxetik Malzemeler Oluşturmak İçin Üç Adımlı Prosedür
National Institute of Standards and Technology (NIST) araştırmacıları ve Chicago Üniversitesi, auxetik ürünlerin pazara girişini hızlandırmak için ortak çabalar göstermiştir.
Daha da net bir şekilde, bu araştırmacılar auxetiklerin hassas üç boyutlu tasarımına yardımcı olan algoritmik bir araç geliştirmiştir. Çalışmanın ortak yazarı, NIST’ten malzeme araştırma mühendisi Edwin Chan’a göre:
“Malzemeyi, istediğiniz belirli mekanik özelliklere ve davranışa sahip olacak şekilde gerçekten optimize edebiliriz.”
Araştırmacılar, dünyaya iki boyutlu mükemmel auxetikleri tanımlamak için birleşik bir çerçeve sundular. Bu sunum, mükemmel auxetik limitini anlamanın ve kontrol etmenin, Poisson oranının negatif kaldığı özelleştirilmiş bir geometrik yapı ile gerçekçi auxetikleri rasyonel olarak tasarlamamıza olanak tanıyabileceği daha büyük bir farkındalığın sonucudur.
Çalışmalarının daha büyük önemini açıklarken, araştırmacılar şu sözleri söyledi:
“Teorimiz, mevcut auxetiklerin büyük bir sınıfını birleştirmekle kalmaz, önceki auxetik rijit birim sistemlerini kapsar, aynı zamanda yeni ve çeşitli geometrilerle, bir ölçüde zor bulunan izotropik auxetik malzeme dahil olmak üzere, çok çeşitli auxetikler yaratmamıza olanak tanır.”
Araştırmacılar, mükemmel auxetiklerin davranışını anlamakla ilgilendikleri için, dönen birimler için minimal iki boyutlu modeli kullandılar. Birimler, sıfır doğal uzunlukta yaylarla bağlanmış bir dizi çokgen içeriyordu. Her rijit birimin üç serbestlik derecesi vardı: iki translasyonel ve bir rotasyonel. Bu model, auxetik gevşek modunun ortaya çıkmasını belirlemeye ve malzemelere elastikiyet kazandırmaya yardımcı oldu, böylece ideal olmayan senaryolar da incelenebilsin.
Bilimsel araştırmanın sonucu, mükemmel auxetikler inşa etmeye yardımcı olacak bir tarif şeklinde ortaya çıktı. Bu tarif üç bileşen gerektirecektir:
- İkili bir ağ, birimlerin birbirlerine karşı ters yönde döndürülmesini sağlayacaktır.
- Başlangıçta ve dinlenme halindeyken, komşu çokgenlerin konum vektörleri ve aralarındaki köşe kollinear olmalıdır.
- Bir çokgenin bir köşesine olan mesafe ile komşusunun aynı köşeye olan mesafesi arasındaki oran, ağ içinde sabit olmalıdır.
Araştırmacılar, teorilerinin benzersizliğinin, kafeslerle sınırlı olmaması ve düzensiz ağlara doğrudan uygulanabilmesi olduğunu vurguluyorlar. Bu, ilk izotropik mükemmel auxetik malzemelerin inşa edilmesini sağlar. Ayrıca teorileri, 3B çokyüzlü malzemelere genişletilebilir.
Bu araştırma bir atılım olsa da, auxetik malzemeler üzerindeki çalışmalar bir süredir devam etmektedir. Aşağıdaki bölümlerde, bu alanda çığır açan çalışmalar yapan şirketlere bakacağız.
#1. Nike
Auxetik yapı alanında sofistike çalışmalar yapan önde gelen markalardan biri Nike’dır. Nike’nin US9402439B2 numaralı patenti auxetik yapılarla ayak tabanları inşa etmeyi kolaylaştıran auxetik yapılarla ilgilidir.
Genellikle ayakkabılar en az iki ana bileşenden oluşur:
- Kullanıcının ayağını alacak şekilde bir üst kısım, ayakkabıyı çevreleyen bölümü sağlar
- Üst kısma bağlanan ve yere ya da oyun yüzeyine ana temas sağlayan bir taban
Taban, iç taban, orta taban ve dış taban olmak üzere üç alt bölümü içerebilir. Nike ayakkabısının patentinde, tabanın en az bir katmanı auxetik bir yapıdan yapılmıştır. Bu katmana auxetik katman denir.
Bu ayakkabılarla koşmak, yön değiştirmek, sıçramak veya hızlanmak, auxetik katmanı artan uzunlamasına veya enine gerilime maruz bırakır; bu da uzunluğunu ve genişliğini artırır. Böylece daha iyi tutuş sağlar ve oyun yüzeyinin bazı darbelerini emer.
Nike, bu ayakkabıların tenis ve diğer raket sporları, yürüyüş, jogging, koşu, doğa yürüyüşü, hentbol, antrenman, koşu bandı üzerinde koşma veya yürüyüş ve basketbol, voleybol, lakros, saha hokeyi ve futbol gibi takım sporları dahil olmak üzere çeşitli spor ve rekreasyon aktiviteleri için faydalı olabileceğine inanmaktadır.
(NKE )
2023 mali yılı için Nike, önceki yıla göre %10 ve para birimi etkisinden bağımsız olarak %16 artışla 51,2 milyar ABD doları gelir bildirdi.
#2. Airbus
Airbus Defence and Space, şekil değiştirebilen bir auxetik yapı ve üretim süreci için bir patent aldı. Bu buluş, hafif koruma sağlamayı amaçlamaktadır uçak gövde ve sistemlerinde yüksek enerjili darbeler karşısında, panelin yüzeyini oluşturan iki yönde iki boyutlu auxetik davranışı kullanan tek bir bütünleşik sandviç paneli ile hafif koruma sağlar.
Airbus, bu tür bir korumanın, Açık Rotor veya Sınır Katmanı Yutma mimarileri dahil olmak üzere, yüksek entegrasyonlu arka motorlu uçak konfigürasyonlarında son derece faydalı olacağını öne sürmektedir. Bu konfigürasyonlarda, pervane kanadı salınımı (PBR) ve motor enkazı (kapsam dışı motor dönüş hatası küçük parça ve üçüncü disk) gibi yüksek enerjili darbelerden fuselajı korumak için güvenlik endişeleri nedeniyle koruma önlemleri (kalkanlar) gereklidir.
Yapı, birden fazla birbirine bağlı üç boyutlu auxetik hücreden oluşan auxetik bir düzenlemeye sahiptir. Bu tasarım, yüzey elemanının düz bir yüzey, kavisli bir yüzey veya farklı düz yüzeylerin bir bileşimi olup olmadığına bakılmaksızın, ortaya çıkan yapının bu düzlemlerin her birinde auxetik davranış sergilemesini sağlar. Ayrıca, çarpışmanın ana yönüne dik birden fazla boyutta auxetik davranış gösterir.
2023’te Airbus, 2022’de elde edilen 58,8 milyar Euro’ya kıyasla önemli bir artışla 65 milyar Euro’dan fazla gelir kaydetti.
Auxetik Malzemeler Oluşturmak: Gelecek Nasıl Görünüyor
Tartışmamıza yol açan araştırma birçok atılım sağlayabilir. Dönen birim auxetiklerini oluşturmak, tasarlamak ve karakterize etmek için takip etmesi kolay bir model sunabilir. Teoriyi doğrulayan modeller, bükülme kuvvetlerini göz ardı ederek malzeme özelliklerini test etmek için basit simülasyonlarda etkiliydi. Ancak, gerektiğinde bükülmeyi de kapsayabilecek şekilde tasarlanmışlardı. Çalışma, daha önce görülmemiş izotropik mükemmel auxetikler oluşturmak için temel kuralları belirlemeye yol açtı. Tek eksik olan, dinamik ve titreşim analizleri üzerine daha fazla araştırmaydı.
Araştırma ve keşif, bilim ve teknolojide hiç bitmeyen bir süreç olsa da, özellikle yük taşıyan uygulamalarda auxetik malzemelerin takviye olarak uygulanabilirliği üzerine daha fazla araştırma yapılması gerekir. Auxetikliğin sağladığı avantajların ortaya çıkması için aşırı deformasyonlar gereklidir. Bu deformasyonlar, statik yükleme altında yapısal elemanlar için belirlenen hizmet edilebilirlik sınırlarını aşabilir. Bu bağlamda, araştırmacılar hem dayanım hem de rijidite gereksinimlerini karşılayan özel tasarımlara ihtiyaç duyulduğunu belirtmişlerdir.
Biyomedikal uygulama alanında, yalnızca eklemeli imalat prosedürleriyle elde edilebilen 3D auxetiklere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu prosedürler, tıbbi cihazların uzun vadeli performansını sağlamak için geliştirilmelidir. Auxetikleri oluşturmak için gelişmiş algoritma tabanlı süreç, bu durumlarda faydalı olabilir; çünkü çoğu eklemeli teknoloji, katman katman süreç nedeniyle özünde anisotropik sonuçlar verir ve bu da çözümlerin mekanik performansını etkileyebilir.
Bu zorluklar devam ederken, araştırmacılar gelecekteki bazı trendlerin başarılı bir şekilde ölçeklendirilmesi durumunda auxetiklerin daha coşkulu bir şekilde benimsenebileceğine umutludur. Bu trendler arasında 4D baskı ile auxetik geometriler arasında sinerjiler yaratmak, şekil hafıza malzemeleri ve mekanizmalarının üretimi gibi konular yer almaktadır.
Auxetikler, hücreler tarafından kolonize edilen bir auxetik iskele sayesinde daha otonom aktüatörler oluşturulabilen biyohibrit malzemelerde de kullanımının artmasını sağlayabilir. Araştırmacılara göre, bu malzemeler mevcut “akıllı”, aktif veya çok işlevli malzeme ve yapıların performansını aşma kapasitesine sahiptir.
Biyohibritlerin kullanımının başlıca örneklerinden biri, auxetik şasi ve mekanizmalara sahip, canlı hücreler tarafından çalışan mikrobottur. Bu çözümler, özellikle elektriksel uyarı ile aktive edilen kardiyomiyositler veya kas‑iskelet hücreleri, gelecekte cerrahi aktüatörler olarak kullanılabilir.
Sonuç olarak, auxetikler bize bir fırsat alanı sunmaktadır. Tek ihtiyacı, ölçeklendirmek ve çok uzun süre dayanacak uygulanabilir çözümler sunmak için daha fazla araştırma ve kaynaktır.
