Havacılıktan Ev İçine Uygulamalara, Geniş Kullanıma Hazır Gelişmiş Auxetik Ölçüm Aletleri

Auxetik malzemeler, negatif Poisson oranları göstermeleri nedeniyle klasik malzemelerden farklıdır. Başka bir deyişle, uzunluk yönünde uygulanan çekme kuvveti altında, auxetikler dikey enine yönde genişler. 

Bilim insanları, malzemelerde auxetik özellikler aramaya devam ediyor. Yakın zamanda, Western fizikçi Giovanni Fanchini,Western physicist Giovanni Fanchini, doktorası öğrencisi Noah Stocek, böyle bir nanomalzeme geliştirdi. 

İki Boyutlu Auxetik Nanosheet’ler

Her iki bilim insanı da Interface Science Western’de çalışarak tungsten yarı‑karbürünün (W2C) 2‑D nanosheet’lerini geliştirdi. Bu, tungsten ve karbon atomlarının eşit oranlarda bulunduğu kimyasal bileşiklerdir. Auxetik malzemelerin özelliklerine uygun olarak, bu nanomalzemeler bir yönde çekildiğinde uygulanan kuvvete dik olarak genişler. 

Geliştirme, yalnızca klasik malzemelerin aksine belirgin bir şekilde genişleyen ikinci malzeme olduğu için önemlidir. Daha önce, bir birim uzunlukta %10 genişleyebilen tek bir malzeme rapor edilmişti. Şu anki nanomalzeme, tungsten yarı‑karbür nanosheet’i, %40 genişleyebilmektedir. Bu yeni bir dünya rekorudur. Geliştirmenin başarısını açıklarken Stoeck şöyle dedi: 

“2018’de kuramcılar, bu davranışı mükemmel bir seviyede gösterebileceğini öngörmüşlerdi, ancak dünya çapındaki araştırma gruplarının yoğun denemelerine rağmen kimse bunu geliştirememişti.”

Stoeck ve Fanchini’nin geliştirdiklerini daha ayrıntılı açıklamak için, ikili tasarlanmış çift‑bölmeli uzaktan plazma biriktirme sistemini bilimsel ve deneysel olarak rapor ettiler; bu sistem, W ve C öncüllerinin iyi ayarlanmış oranlarıyla termodinamik denge dışı tungsten karbürleri büyütebiliyordu. Araştırma, bu sistemin birkaç katmanlı tungsten yarı‑karbür (FL‑W2C) pulpasının sentezine izin veren belirli koşulları vurguladı. Bu pulpaslar iki‑boyutlu yapıya sahipti, çünkü Stranski–Krastanov büyüme sürecinde mezoskopik seviyede periyodikliğini koruyabiliyorlardı.

Kimyasal Yöntemlerden Plazma Fiziğine Yeni Bir Kayma

Geliştirici ikili, süreçlerinin çok erken bir aşamasında yeni bir tungsten yarı‑karbür nanomalzemesini kimyasal yöntemlerle üretmenin imkânsız olduğunu belirledi. Sonuç olarak, tek atom katmanları oluşturma hedefiyle plazma fiziğine yöneldiler. 

Nanomalzemenin plazma yöntemleriyle geliştirilmesini sağlamak için, geliştirici ikili, gazların yüksek sıcaklıkta ısıtılarak kimyasal reaksiyonla maddeyi oluşturduğu özel fırınlar gibi geleneksel rotadan uzaklaştı. Elektrik yüklü parçacıklar içeren yeni özelleştirilmiş bir plazma üretim cihazı tasarladılar. 

Yeni Geliştirilen Nanomalzemenin Uygulamaları

Bu nanosheet’lerin en faydalı potansiyel uygulamalarından biri, tamamen yeni bir tür gerinim ölçer olabilir. Bu ölçerler, genişlemeyi çok etkili bir şekilde ölçebilir ve uçak kanatlarından ev içi sıhhi tesisatlara kadar her şeyde gerilebilir.

Bu malzemeler daha elektriksel iletken olduğundan, sensörlerde veya çevredeki değişiklikleri ve kaymaları tespit eden cihazlarda kullanılabilirler. Sadece bu malzemeleri tespit etmekle kalmaz, aynı zamanda ‘sensör’ yetenekleri sayesinde diğer elektroniklere bilgi gönderebilirler. 

Olası bir uygulamayı açıklarken Stoeck şöyle dedi:

“Evinizdeki bir borunun deforme olup bir noktada patlama riski taşıyıp taşımadığını merak ettiğinizi hayal edin. Bu iki‑boyutlu nanomalzemeden yapılmış bir sensörü boruya takabilirsiniz ve ardından bir bilgisayarla üzerinden geçen akımı izleyebilirsiniz. Akım yükselirse, borunun genişlediği ve patlama riski taşıdığı anlamına gelir.” 

Gelecekte, bir malzemenin auxetik özellikleri üzerindeki daha fazla geliştirme kesinlikle yeni çözümlere yol açacaktır. Şimdilik, Michigan Scientific Corporation ve Omega gibi şirketler gerinim ölçer üretimi ve geliştirmesine derinlemesine odaklanmış durumdalar. Bu şirketler, geliştirmeyi ve ortaya çıkan nanomalzemeyi ürün/çözüm portföylerini ilerletmek için kullanmaya başlayabilirler. 

#1. Omega

Omega, DwyerOmega markası, nanomalzemeyi sağlam ve çeşitli gerinim ölçer ürün serisini daha da artırmak için kullanabilir. Diyafram gerinim ölçerleri, basınç, kuvvet, yer değiştirme ve metal, plastik ve kompozitlerdeki gerinim ve stres gibi çeşitli uygulamalarda gerinim ve stresi ölçebilir. Çift paralel gerinim ölçer serisi, çeşitli uygulamalarda bükülme stresini güvenilir bir şekilde ölçmeye yardımcı olur. 

Omega ayrıca torsiyon ve kayma gerinim ölçerleri, lineer gerinim ölçerleri, t‑rozet gerinim ölçerleri ve rozet gerinim ölçerleri sunar. Daha kolay hizalama için sıkı toleranslarla, Omega ölçerleri güvenilir performans ve uzun vadeli stabilite sağlar. Tam Köprü ve Yarım Köprü Gerinim Ölçerleri, geniş bir sıcaklık aralığıyla uyumlulukta mükemmel doğrusalite gösterir. 

T‑Rozet gerinim ölçerleri, sıcaklık, yük ve titreşimin bileşenler üzerindeki etkilerini ölçebilir. Özellikle bilinen ana yönleri olan iki yönlü gerinimleri ölçmede faydalıdırlar.

Şirket, auxetik ölçerler üzerine yeni bir ürün serisi geliştirmek ya da mevcut ürün serisini auxetik özelliklerle genişletmek için mükemmel bir konumdadır. 

DwyerOmega, Dwyer Instruments, Inc. acquired OMEGA Engineering, Inc. from Spectris plc (LSE:SXS) for approximately $530 million on 19 Nisan 2022. Dwyer paid US$525 million at a valuation of approximately 20.4x Omega’s 2021 adjusted EBITDA. For the 2021 financial year, Omega generated sales of £129 million ($168 million) and adjusted EBITDA of £19.7 million ($25.7 million).

#2. Michigan Scientific Corporation

Michigan Scientific Corporation, Charlevoix, Michigan, United States merkezli özel bir şirket olup, çeşitli mühendislik hizmetleri, ürünleri ve çözümleri sunmasıyla tanınır. Bu şirketin bu gelişmeden parlak bir şekilde yararlanabileceği bir alan, gerinim ölçer hizmetleridir. 

Şirket, araç süspansiyon kuvvetleri, güç aktarma torkları, direksiyon bileşen kuvvetleri, motor ve motor yükleri ve sahadaki araçların fren torkları gibi çeşitli durumlarda kullanılabilecek özel gerinim ölçer transdüserleri tasarlama ve üretme konusunda uzmandır. 

Michigan’ın çözümleri arasında şaft tork transdüserleri, krank mili transdüserleri, kayma çivi transdüserleri ve yarı şaft gerinim ölçümü, tahrik mili gerinim ölçümü, eksenel kuvvet ölçümü ve daha fazlası için ürünler bulunur. 

Bu çözümlerin enstrümantasyon uygulamaları arasında, stres izleme için devre kartı enstrümantasyonu, üretim sırasında deformasyonu izlemek için termal oda kapı panelleri ve tam donanımlı endüstriyel ölçekli tahrik şaftları yer alır.Bu çözümler ayrıca projelerde toplanan verileri toplar ve analiz eder. 

Yeni geliştirilen gerinim ölçerlerin ‘sensör’ yeteneklerinin değerini zaten gördük. Bu, Morgan Scientific Corporation için de bir değer katacaktır; çünkü bu şirket, müşterilerin bileşenlerine yerinde gerinim ölçerler kurarak veri toplar ve çeşitli test ve geliştirme faaliyetlerini destekler. 

Auxetiklerde Diğer Önemli Son Gelişmeler

İnşaatta Auxetikler

International Journal of Protective Structures dergisinde yayınlanan raporlara göre, auxetik malzemeler inşaat mühendisliğiyle ilgili alanlarda giderek daha fazla kullanılmaktadır. Çimento bazlı malzemelerle, köpük‑harç kompoziti, kumaş‑harç kompoziti ve fiber takviyeli çimento kompoziti gibi çeşitli formlarda birleştirilebilir. 

Örneğin, auxetik köpük katmanları, sıkıştırma altında kırılgan duvarların yenilenmesinde faydalı olur. Çimento kompozitinde çekme sonrası sertleşme etkisini önemli ölçüde artırırlar.

Auxetik kumaşlar daha yüksek kayma sertliği ve belirgin kırılma tokluğu sunar. Sonuç olarak, gözenekli yapısı ve düşük yoğunluğu nedeniyle düşük basınç dayanımına sahip Auxetik Köpük Harç (AFM) zorluklarını aşmada bu kompozitler faydalıdır.

Auxetik fiber takviyeli çimento kompoziti, düşük süneklik, yetersiz çekme dayanımı ve düşük kırılma tokluğu gibi geleneksel çimento bazlı malzemelerin birçok dezavantajını çözer. 

Fiberde Auxetikler

Auxetik fiberler, kompozit malzemeler, kişisel koruyucu giysiler, döşeme, halatlar, kordlar, balık ağları ve daha birçok alanda kullanılabilir. Bu uygulama alanlarını güçlendiren özellikler arasında fiber çekilme direnci, fiber kırılma tokluğu, enerji emilimi, yoğunlaşma ve çökme direnci, darbe direnci ve daha fazlası bulunur.

Biyomedikalde Auxetikler 

Auxetikler, protezler, cerrahi implantlar, dikiş/kas/ligament ankrajları ve hatta kalp ameliyatı sırasında kan damarlarını açmaya yardımcı olan dilatörler gibi biyomedikal alt segmentlere önemli ölçüde katkı sağlayabilir. 

Piezoelektrik Kalitesini Artırmada Auxetikler

Elektrotlar auxetik metalllerden inşa edilebilir. Bu elektrotlar, bir piezoelektrik polimeri iki katman arasında sıkıştırarak veya piezoelektrik seramik çubukları auxetik polimer matrisine gömerek çalışabilir. Piezoelektrik performansını önemli ölçüde artırma kapasitesine sahiptir ve cihaz hassasiyetini en az iki kat, hatta yüz katına kadar yükseltebilir.

Filtrelerde Auxetik Kullanımı

Kirlenmiş filtrelerin temizlenmesi, auxetik köpük ve petek filtreleri kullanılarak mümkündür. Özellikle, auxetik eklemeler filtre gözeneklerini etkili bir boyut ve şekle ayarlamaya yardımcı olur. Ayrıca, kirlenmiş bir filtrede basınç birikiminin etkilerini telafi ederler. Auxetik bir filtre, gözenekleri hem çekme yükünün yönüne paralel hem de enine açabilir.

Talep Üzerine Auxetik Malzemeler Tasarlama

Yukarıdaki bölümler gösterdiği gibi, gelişmiş auxetiklerin kullanımı hızla genişliyor ve her gün yeni uygulama alanlarına yayılıyor. Bu talebi karşılamak için araştırmacılar, talep üzerine auxetik malzemeler tasarlamaya yönelik değerli çalışmalar yürüttüler. 

2022’de, ‘A three step recipe for designing auxetic materials on demand‘ başlıklı bir araştırma yayınlandı; araştırmacılar iki‑boyutlu mükemmel auxetikleri tanımlamak için birleşik bir çerçeve oluşturdu ve yeni malzemelerin tasarımında potansiyel kullanımını ortaya koydu. 

Araştırma, dönen rijit birimler ile antiferromanyetik spin sistemleri arasındaki doğal bağlantıya yoğun bir şekilde dayanıyordu. Araştırmacılar ayrıca auxetik davranışı ortaya çıkaran karmaşık gevşek modu kolaylaştıran koşulları da ayrıntılı olarak açıkladılar. 

Araştırma, yeni auxetikler için üç tasarım önerdi: egzotik bir kristal, bir Penrose kuazikristali ve uzun zamandır istenen izotropik auxetik. Araştırma, bu tasarımların auxetikliğinin küçük yapısal bozulmalara karşı dayanıklı kalabileceğini, deneyler ve sayısal simülasyonlarla doğruladığını iddia etti. 

Araştırma teorisi, her tasarımı minimal bir modelle temsil etti. Bu modeller, çokgenler ve yaylar üzerine kuruluydu ve bu modellerin dış yüklemelere karşı kolektif yanıtını yakalayabiliyordu. 

Araştırmacılar, bu modellerin bükülme kuvvetlerini göz ardı ederek doğrudan simüle edilebileceğini ve malzeme özelliklerini test edebileceğini umuyorlardı. Araştırma sonuçlarının bir diğer önemli başarısı, auxetik domain duvarlarının ve bu sistemlerin manyetik sistemlerle analogisi sayesinde doğal dokuların davranışını genelleştirme yeteneğiydi.

Son olarak, araştırmaya katılanlar bunun, daha önce görülmemiş izotropik mükemmel auxetiklerin yaratılması için temel kuralları belirlediği yönünde çığır açıcı olduğunu iddia ettiler. Ayrıca, araştırmanın 3D çokyüzlü malzemelerin üretiminde uygulanabileceği umulmaktadır. 

Click here to learn about the potential of nanoscale 3D printing.

Gelişmiş Auxetikler İçin Gelecek Yol

Artık auxetik yapıların tek bir tasarım aşamasından çıkıp, çeşitli işlevleri yerine getirebilecek özelleştirilmiş çözümlere dönüştüğü kesin olarak kanıtlanmıştır. Evrimi, değişken elementel 2D desenler, hibrit yapılar ve yenilikçi performans‑odaklı boyutsal yükseltmeler gördü. Evrim aynı zamanda auxetik özelliklere sahip olabilecek malzeme listesinin genişlemesini de gözlemledi. Uyumluluk listesine artık polimerler, seramikler, metaller, biyomalzemeler, çimento, tekstiller ve çimento bazlı bileşikler dahil.

Çeşitlendirilmiş yapısal modeller ve genelleştirilmiş üretim modelleri – ikisi de iyileşmeler gördü ve yüksek rijitli malzemelerin auxetik davranışını ortaya çıkardı. Araştırmacılar ve teknologlar, auxetik malzemelerin stres‑yeniden dağıtma özelliklerine de bakıyor. 

Bununla birlikte, auxetiklerin daha ileri seviyelere ulaşması için bazı zorlukların üstesinden gelinmesi gerekiyor. Örneğin, yüksek hızlı darbe altındaki performans ve deformasyon‑başarısızlık mekanizmaları daha fazla incelenmeli. Darbe direnci uygulamaları üzerine daha fazla çalışma yapılmalı. Bu konulara yeterli dikkat gösterilmesi, auxetikleri günlük yaşamda muazzam bir değer taşıyan bilimsel ve teknolojik bir özellik haline getirebilir. 

Click here for the list of five companies leading the development of nanotechnology.