Ауксетики
Ауксетики являются типичными структурами типичных механических метаматериалов. Механические метаматериалы — это структуры, механические свойства которых искусственно получены из сложных структур и относятся к уникальным структурам, не встречающимся в природе. Здесь основная концепция мета (мета по-гречески означает «за пределами ») подразумевает нечто, выходящее за рамки встречающихся в природе веществ. Обычно материалы имеют положительный коэффициент Пуассона. В отличие от обычных материалов, ауксетики представляют собой структуры или материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона . Что касается общих материалов, следует отметить, что при удлинении по оси x длина по оси y уменьшается. Интересно, что с точки зрения ауксетичной структуры, одновременно с расширением по оси x, одновременно расширяется и ось y. Другими словами, удлинение происходит в обоих направлениях, вызывая быстрое увеличение объема. [1] [2]
- ν = -ε(транс) / ε(осевой)
где ε(транс) — поперечная деформация, а ε(осевая) — осевая деформация.
Ауксетиками могут быть отдельные молекулы , кристаллы или определенная структура макроскопического вещества. [3] [4] Расширение структур ауксетиков предпринимается в различных областях. Типичные исследования проводятся в области защиты от ударов, медицинского оборудования, текстиля и контроля звуковой вибрации. С точки зрения защиты от ударов материалы Auxetic подходят для использования в защитном снаряжении, таком как бронежилеты, шлемы и наколенники. Это связано с тем, что он способен поглощать энергию более эффективно, чем традиционные материалы. Его также активно изучают в таких устройствах, как медицинские стенты или имплантаты. Это связано с тем, что его уникальные свойства могут улучшить характеристики и долговечность стентов или имплантатов. Ауксетические ткани можно использовать для создания удобной и гибкой одежды, которую не могут воплотить обычные материалы, а также в качестве технических тканей для таких применений, как аэрокосмическая промышленность и спортивное оборудование. Наконец, что касается области управления звуком и вибрацией, материалы Auxetic можно использовать для создания акустических метаматериалов для управления звуком и вибрацией в различных приложениях.
Между тем, исследования с использованием ауксетических структур продолжаются и в микроскопическом мире. В отличие от общего мнения, что ауксетичность редко проявляется в кристаллических твердых телах, большинство кубических элементарных металлов проявляется, когда их вытягивают в направлении [110]. Например, оба коэффициента податливости (т.е. s11 и s12) монокристаллов Zn имеют одинаковый знак. В результате, поскольку при θ = 0, ν12 = −s12/s11 примерно равно −0,073 < 0, то коэффициент Пуассона монокристаллического Zn в подстилающей его плоскости отрицательен. Для этих металлов ауксетичность допускает существование в ортогональном латеральном направлении положительных коэффициентов Пуассона до предела устойчивости 2 для кубических кристаллов. Ожидалось, что такие металлы позволят создать электроды, которые экспоненциально увеличивают отклик пьезоэлектрических датчиков. [5]
История
[ редактировать ]Термин ауксетик происходит от греческого слова auxetikos ( αὐξητικός ), что означает «то, что имеет тенденцию увеличиваться», и имеет свой корень в слове auxesis ( αὔξησις ), что означает «увеличение» (существительное). Эту терминологию придумал профессор Кен Эванс из Эксетерского университета . [6] [4] Один из первых искусственно полученных ауксетиков — структура RFS (ромбовидная структура) — был изобретен в 1978 г. берлинским исследователем К. Питчем. Хотя он не использовал термин «ауксетик», он впервые описывает основной рычажный механизм и его нелинейную механическую реакцию, поэтому его считают изобретателем ауксетики.Самый ранний опубликованный пример материала с отрицательной константой Пуассона принадлежит А.Г. Колпакову в 1985 г. "Определение средних характеристик упругих каркасов"; следующий синтетический ауксетический материал был описан в журнале Science в 1987 году под названием « Пенистые структуры с отрицательным коэффициентом Пуассона». [3] Р.С. Лейкс из Университета Висконсина в Мэдисоне . Использование слова ауксетик для обозначения этого свойства, вероятно, началось в 1991 году. [7] Недавно было показано, что клетки при определенных условиях проявляют биологическую версию ауксетичности. [8]
В 1985 году были опубликованы конструкции композитов с инвертированной гексагональной ячейкой периодичности (ауксетический шестиугольник), обладающих отрицательными коэффициентами Пуассона. [9]
По этим причинам постепенно многие исследователи стали интересоваться уникальными свойствами ауксетиков. Это явление видно по количеству публикаций (поисковая система Scopus), как показано на следующем рисунке. В 1991 году была только одна публикация. Однако в 2016 году было выпущено около 165 публикаций, поэтому количество публикаций резко возросло – 165-кратное увеличение всего за 25 лет – что ясно показывает, что тема ауксетиков привлекает значительное внимание. [10] Однако, хотя ауксетики являются многообещающими структурами и обладают большим потенциалом в науке и технике, их широкое применение во многих областях все еще остается проблемой. Поэтому для широкого применения ауксетиков необходимы дополнительные исследования.
Характеристики
[ редактировать ]Обычно ауксетики имеют низкую плотность , что позволяет шарнирным участкам ауксетических микроструктур изгибаться. [11]
На макроуровне ауксетическое поведение можно проиллюстрировать с помощью неэластичной струны, намотанной на эластичный шнур. Когда концы конструкции раздвигаются, неэластичная струна выпрямляется, а эластичный шнур растягивается и наматывается на нее, увеличивая эффективный объем конструкции. Ауксетическое поведение на макроуровне также можно использовать для разработки продуктов с улучшенными характеристиками, таких как обувь на основе структур ауксетических вращающихся треугольников, разработанных Гримой и Эвансом. [12] [13] [14] и протезы стоп со свойствами суставов пальцев ног, похожими на человеческие. [15]
Ауксетичность также распространена в биологических материалах. Происхождение ауксетичности биологических материалов сильно отличается от материалов, обсуждавшихся выше. Одним из примеров являются ядра эмбриональных стволовых клеток мыши в переходном состоянии. Модель была разработана Tripathi et. аль [16] чтобы объяснить это.
Примеры
[ редактировать ]
Примеры ауксетических материалов включают:
- Ауксетический пенополиуретан [17] [18]
- Ядра эмбриональных стволовых клеток мыши в выходящем из плюрипотентного состояния [16]
- α-Кристобалит . [19]
- Некоторые состояния кристаллических материалов: Li, Na, K, Cu, Rb, Ag, Fe, Ni, Co, Cs, Au, Be, Ca, Zn, Sr, Sb, MoS 2 , BAsO 4 и другие. [20] [21] [22]
- Некоторые породы и минералы [23]
- Графен , который можно сделать ауксетиком за счет введения вакансионных дефектов. [24] [25]
- Углеродные алмазоподобные фазы [26]
- Неуглеродные нанотрубки [27] [28]
- Живая костная ткань (хотя это только подозревается) [23]
- Сухожилия в пределах нормального диапазона движений. [29]
- Конкретные варианты полимеров политетрафторэтилена, таких как Gore-Tex. [30]
- Несколько типов складок оригами, таких как ромбовидная складчатая структура (RFS), складчатая структура «елочка» (FFS) или складка миуры . [31] [32] и другие периодические закономерности, полученные из него. [33] [34]
- Специально разработанные конструкции, демонстрирующие специальные коэффициенты Пуассона. [36] [37] [38] [39] [40] [41]
- Цепные органические молекулы. Недавние исследования показали, что органические кристаллы, такие как н- парафины и подобные им, могут демонстрировать ауксетическое поведение. [42]
См. также
[ редактировать ]- Акустический метаматериал
- Механический метаматериал
- Метаматериал
- Параллелогон
- Зетикс , тип коммерческого ауксетика.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мир, Мариам и др. «Обзор механики и применения ауксетических структур». Достижения в области материаловедения и инженерии 2014 (2014).
- ^ Ли, Ён-Джу и др. «Ауксетические эластомеры: Механически программируемые метаэластомеры с необычным коэффициентом Пуассона превосходят предел измерения тензодатчика емкостного типа». Письма по экстремальной механике 31 (2019): 100516.
- ^ Перейти обратно: а б Лейкс, RS (27 февраля 1987 г.), «Пенистые структуры с отрицательным коэффициентом Пуассона», Science , 235 (4792): 1038–40, Bibcode : 1987Sci...235.1038L , doi : 10.1126/science.235.4792.1038 , PMID 17782252 , S2CID 21386778 .
- ^ Перейти обратно: а б Эванс, Кен (1991), «Ауксетические полимеры: новый диапазон материалов», Endeavour , 15 (4): 170–174, doi : 10.1016/0160-9327(91)90123-S .
- ^ Ян, Вэй и др. «Обзор ауксетических материалов». Журнал материаловедения 39 (2004): 3269-3279.
- ^ Куинион, Майкл (9 ноября 1996 г.), Auxetic .
- ^ Эванс, Кен (1991), «Ауксетические полимеры: новый диапазон материалов», Endeavour , 15 (4): 170–174, doi : 10.1016/0160-9327(91)90123-S .
- ^ Морриш, РБ (2019), «Одноклеточная визуализация изменений ядерной архитектуры», Front. Сотовое развитие. Биол. , 7 : 141, doi : 10.3389/fcell.2019.00141 , PMC 6668442 , PMID 31396512 .
- ^ Колпаков, А.Г. (1985). «Определение средних характеристик упругих каркасов». Журнал прикладной математики и механики . 49 (6): 739–745. Бибкод : 1985JApMM..49..739K . дои : 10.1016/0021-8928(85)90011-5 .
- ^ Рен, Синь и др. «Ауксетические метаматериалы и структуры: обзор». Умные материалы и конструкции 27.2 (2018): 023001.
- ^ Пространство воображения - 7 июня 1997 г. - New Scientist Space
- ^ Грима, Дж. Н.; Эванс, Кентукки (2000). «Ауксетическое поведение от вращающихся квадратов». Журнал материаловедческих писем . 19 (17): 1563–1565. дои : 10.1023/А:1006781224002 . S2CID 138455050 .
- ^ Грима, Дж. Н.; Эванс, К.Э. (2006). «Ауксетическое поведение вращающихся треугольников». Журнал материаловедения . 41 (10): 3193–3196. Бибкод : 2006JMatS..41.3193G . дои : 10.1007/s10853-006-6339-8 . S2CID 137547536 .
- ^ «Пресс-релиз о продукте Nike Free 2016» .
- ^ Хонг, Вулим; Кумар, Намита Анил; Патрик, Шавани; Хм, Хуэй-Цзинь; Ким, Хон-Су; Ким, Хак-Сунг; Хур, Пилвон (2022). «Эмпирическая проверка ауксетической структурированной стопы с приводным трансфеморальным протезом» . Письма IEEE по робототехнике и автоматизации . 7 (4): 11228–11235. дои : 10.1109/LRA.2022.3194673 . ISSN 2377-3766 . S2CID 251170703 .
- ^ Перейти обратно: а б Трипати, Камаль; Менон, Гаутам И. (28 октября 2019 г.). «Уплотнение хроматина, ауксетичность и эпигенетический ландшафт стволовых клеток» . Физический обзор X . 9 (4): 041020. doi : 10.1103/PhysRevX.9.041020 . S2CID 209958957 .
- ^ Ли, Ян; Цзэн, Чанчунь (2016). «Об успешном производстве ауксетических пенополиуретанов: потребность в материалах, стратегия обработки и механизм преобразования». Полимер . 87 : 98–107. doi : 10.1016/j.polymer.2016.01.076 .
- ^ Ли, Ян; Цзэн, Чанчунь (2016). «Комнатная температура, почти мгновенное изготовление ауксетических материалов с постоянным коэффициентом Пуассона при большой деформации». Продвинутые материалы . 28 (14): 2822–2826. дои : 10.1002/adma.201505650 . ПМИД 26861805 . S2CID 5260896 .
- ^ Йегане-Хаери, Амир; Вайднер, Дональд Дж.; Париз, Джон Б. (31 июля 1992 г.). «Эластичность α-кристобалита: диоксид кремния с отрицательным коэффициентом Пуассона». Наука . 257 (5070): 650–652. Бибкод : 1992Sci...257..650Y . дои : 10.1126/science.257.5070.650 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17740733 . S2CID 137416819 .
- ^ Гольдштейн, Р.В.; Городцов В.А.; Лисовенко, Д.С. (2013). «Классификация кубических ауксетиков». Физический статус Solidi B. 250 (10): 2038–2043. дои : 10.1002/pssb.201384233 . S2CID 117802510 .
- ^ Городцов В.А.; Лисовенко, Д.С. (2019). «Экстремальные значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона гексагональных кристаллов». Механика материалов . 134 : 1–8. дои : 10.1016/j.mechmat.2019.03.017 . S2CID 140493258 .
- ^ Грима-Корниш, JN; Велла-Зарб, Л; Грима, Дж. Н. (2020). «Отрицательная линейная сжимаемость и ауксетичность в арсенате бора». Аннален дер Физик . 532 (5): 1900550. Бибкод : 2020АнП...53200550Г . дои : 10.1002/andp.201900550 . S2CID 216414513 .
- ^ Перейти обратно: а б Берк, Мария (7 июня 1997 г.), «Пространство воображения» , New Scientist , 154 (2085): 36
- ^ Грима, Дж. Н.; Винчевский, С.; Мицци, Л.; Греч, MC; Коши, Р.; Гатт, Р.; Аттард, Д.; Войцеховский, К.В.; Рыбицки, Дж. (2014). «адаптация графена для достижения свойств отрицательного коэффициента Пуассона». Продвинутые материалы . 27 (8): 1455–1459. дои : 10.1002/adma.201404106 . ПМИД 25504060 . S2CID 19738771 .
- ^ Грима, Джозеф Н.; Греч, Майкл С.; Грима-Корниш, Джеймс Н.; Гатт, Рубен; Аттард, Дафна (2018). «Гигантское ауксетическое поведение в инженерном графене». Аннален дер Физик . 530 (6): 1700330. Бибкод : 2018АнП...53000330Г . дои : 10.1002/andp.201700330 . ISSN 1521-3889 . S2CID 125889091 .
- ^ Рысаева Л.Х.; Баимова Ю.А.; Лисовенко, Д.С.; Городцов В.А.; Дмитриев, СВ (2019). «Упругие свойства фуллеритов и алмазоподобных фаз». Физический статус Solidi B. 256 (1): 1800049. Бибкод : 2019PSSBR.25600049R . дои : 10.1002/pssb.201800049 .
- ^ Гольдштейн, Р.В.; Городцов В.А.; Лисовенко, Д.С.; Волков, М.А. (2014). «Отрицательный коэффициент Пуассона для кубических кристаллов и нано/микротрубок». Физическая мезомеханика . 17 (2): 97–115. дои : 10.1134/S1029959914020027 . S2CID 137267947 .
- ^ Брюханов И.А.; Городцов В.А.; Лисовенко, Д.С. (2019). «Хиральные нанотрубки Fe как с отрицательным коэффициентом Пуассона, так и с эффектом Пойнтинга. Атомистическое моделирование». Физический журнал: конденсированное вещество . 31 (47): 475304. Бибкод : 2019JPCM...31U5304B . дои : 10.1088/1361-648X/ab3a04 . ПМИД 31398716 . S2CID 199519252 .
- ^ Гатт Р., Велла Вуд М., Гатт А., Зарб Ф., Формоза С., Аззопарди К.М., Каша А., Агиус Т.П., Шембри-Висмайер П., Аттард Л., Чокалингам Н., Грима Дж.Н. (2015). «Отрицательные коэффициенты Пуассона в сухожилиях: неожиданная механическая реакция» (PDF) . Акта Биоматер . 24 : 201–208. doi : 10.1016/j.actbio.2015.06.018 . ПМИД 26102335 .
- ^ Ауксетические материалы , 9 марта 2001 г.
- ^ Марк, Шенк (2011). Складчатые оболочечные конструкции, кандидатская диссертация (PDF) . Кембриджский университет, Клэр-колледж.
- ^ Льв, Ченг; Кришнараджу, Дипакшьям; Конджевод, Горан; Ю, Хунъюй; Цзян, Ханьцин (2015). «Механические метаматериалы на основе оригами» . Научные отчеты . 4 : 5979. дои : 10.1038/srep05979 . ПМЦ 4124469 . ПМИД 25099402 .
- ^ Эйдини, Марьям; Паулино, Главио Х. (2015). «Раскрытие свойств метаматериала в сложенных зигзагообразными листами» . Достижения науки . 1 (8): e1500224. arXiv : 1502.05977 . Бибкод : 2015SciA....1E0224E . дои : 10.1126/sciadv.1500224 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 4643767 . ПМИД 26601253 .
- ^ Эйдини, Марьям (2016). «Зигзагообразные листовые ячеистые механические метаматериалы со складками». Письма по экстремальной механике . 6 : 96–102. arXiv : 1509.08104 . дои : 10.1016/j.eml.2015.12.006 . S2CID 118424595 .
- ^ Мицци, Люк; Сальвати, Энрико; Спаггиари, Андреа; Тан, Джин-Чонг; Корсунский, Александр М. (2020). «Высокорастягивающиеся двумерные листы ауксетического метаматериала, изготовленные методом прямой лазерной резки» . Международный журнал механических наук . 167 : 105242. doi : 10.1016/j.ijmecsci.2019.105242 . hdl : 11380/1185053 . ISSN 0020-7403 . S2CID 210231091 .
- ^ Тьемо Бюкманн; и др. (май 2012 г.). «Специализированные трехмерные механические метаматериалы, изготовленные с помощью оптической литографии с прямой лазерной записью». Продвинутые материалы . 24 (20): 27:10–27:14. дои : 10.1002/adma.201200584 . ПМИД 22495906 . S2CID 205244958 .
- ^ Грима-Корниш, Джеймс Н.; Грима, Джозеф Н.; Эванс, Кеннет Э. (2017). «О структурных и механических свойствах поли(фенилацетиленовых) ферменных гексагональных иерархических наносетей». Физический статус Solidi B. 254 (12): 1700190. Бибкод : 2017ПССБР.25400190Г . дои : 10.1002/pssb.201700190 . hdl : 10871/31485 . ISSN 1521-3951 . S2CID 126184802 .
- ^ Кабрас, Луиджи; Брун, Мишель (2014). «Ауксетические двумерные решетки с коэффициентом Пуассона, сколь угодно близким к −1» . Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 470 (2172): 20140538.arXiv : 1407.5679 . Бибкод : 2014RSPSA.47040538C . дои : 10.1098/rspa.2014.0538 . ISSN 1364-5021 .
- ^ Карта, Джорджио; Брун, Мишель; Балди, Антонио (2016). «Проектирование пористого материала с изотропным отрицательным коэффициентом Пуассона». Механика материалов . 97 : 67–75. дои : 10.1016/j.mechmat.2016.02.012 .
- ^ Кабрас, Луиджи; Брун, Мишель (2016). «Класс ауксетических трехмерных решеток». Журнал механики и физики твердого тела . 91 : 56–72. arXiv : 1506.04919 . Бибкод : 2016JMPSo..91...56C . дои : 10.1016/j.jmps.2016.02.010 . S2CID 85547530 .
- ^ Каминакис, Н; Ставрулакис, Г. (2012). «Оптимизация топологии податливых механизмов с использованием эволюционно-гибридных алгоритмов и применение к разработке ауксетических материалов». Композиты. Часть B. Инженерия . 43 (6): 2655–2668. doi : 10.1016/j.compositesb.2012.03.018 .
- ^ Стеценко, М (2015). «Определение упругих констант углеводородов тяжелых нефтепродуктов методом молекулярно-динамического моделирования» . Журнал нефтяной науки и техники . 126 : 124–130. дои : 10.1016/j.petrol.2014.12.021 .