Ауксетики представляют собой типичные структуры 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 базовая концепция мета (мета означает за пределами по-гречески) 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 вдоль оси x, одновременно расширяется и ось y. Другими словами, удлинение происходит в обоих направлениях, вызывая быстрое увеличение объема.
- ν = -ε(trans) / ε(axial)
где ε(trans) — поперечная деформация, а ε(axial) — осевая деформация.
Ауксетиками могут быть отдельные молекулы, кристаллы или определенная структура макроскопического вещества.
Структуры расширения ауксетиков предпринимаются 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 определенном направлении. 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.
История
Термин ауксетик происходит от греческого слова auxetikos (αὐξητικός), что означает «то, что имеет тенденцию увеличиваться» и имеет корень в слове auxesis (αὔξησις ), что означает «увеличение» (существительное). Эту терминологию придумал профессор Кен Эванс из Эксетерского университета.
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» Р.С. Озера из Университета Висконсина в Мэдисоне. Использование слова ауксетик для обозначения этого свойства, вероятно, началось в 1991 году. Недавно было показано, что клетки проявляют биологическую версию ауксетичности при определенных условиях.
В 1985 году были опубликованы конструкции композитов с инвертированной гексагональной ячейкой периодичности (ауксетический шестиугольник), обладающих отрицательными коэффициентами Пуассона.
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. 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.
Свойства
Обычно ауксетики имеют низкую плотность, что позволяет шарнирным участкам ауксетических микроструктур изгибаться.
В макромасштабе ауксетическое поведение можно проиллюстрировать с помощью неэластичной струны, намотанной на эластичный шнур. Когда концы структуры раздвигаются, неэластичная струна выпрямляется, а эластичный шнур растягивается и наматывается на нее, увеличивая эффективный объем структуры. Ауксетическое поведение в макромасштабе также можно использовать для разработки продуктов с улучшенными характеристиками, такими как обувь на основе ауксетичных вращающихся треугольников, разработанных Гримой и Эвансом, и протезы стоп со свойствами суставов пальцев ног, подобными свойствам человеческих.
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. все, чтобы объяснить это.
Примеры
Примеры ауксетических материалов включают в себя: