stringtranslate.com

Ауксетики

Ауксетики — это структуры или материалы , имеющие отрицательный коэффициент Пуассона . При растяжении они становятся толще перпендикулярно приложенной силе. Это происходит из-за их особой внутренней структуры и способа ее деформации при одноосной нагрузке образца. Ауксетиками могут быть отдельные молекулы , кристаллы или определенная структура макроскопического вещества. [1] [2]

Ожидается, что такие материалы и конструкции будут обладать механическими свойствами, такими как высокое поглощение энергии и устойчивость к разрушению . Ауксетики могут быть полезны в таких применениях, как бронежилеты , [3] упаковочный материал, наколенники и налокотники, прочный амортизирующий материал и губчатые швабры.

История

Термин ауксетик происходит от греческого слова auxetikos ( αὐξητικός ), что означает «то, что имеет тенденцию увеличиваться», и имеет свой корень в слове auxesis ( αὔξησις ), означающем «увеличение» (существительное). Эту терминологию придумал профессор Кен Эванс из Эксетерского университета . [4] [2] Один из первых искусственно полученных ауксетиков, структура RFS (ромбовидная структура), был изобретен в 1978 году 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» [1] Р.С. Лейксом из Университета Висконсина в Мэдисоне . Использование слова ауксетик для обозначения этого свойства, вероятно, началось в 1991 году. [5] Недавно было показано, что клетки проявляют биологическую версию ауксетичности при определенных условиях. [6]

В 1985 г. были опубликованы конструкции композитов с инвертированной гексагональной ячейкой периодичности (ауксетический шестиугольник), обладающих отрицательными коэффициентами Пуассона [7].

Характеристики

Обычно ауксетики имеют низкую плотность , что позволяет шарнирным участкам ауксетических микроструктур изгибаться. [8]

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 ауксетических вращающихся треугольных структур, разработанных Гримой и Эвансом [9] [10] [11] и протезы стоп с человеческим суставом пальца ноги. характеристики. [12]

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. al [13] , чтобы объяснить это.

Примеры

В обуви ауксетический дизайн позволяет подошве увеличиваться в размерах во время ходьбы или бега, тем самым увеличивая гибкость.

Примеры ауксетических материалов включают:

Производство ауксетических метаматериалов путем внедрения узорных микроструктурных разрезов методом прямой лазерной резки . Тонкая резиновая поверхность с перфорированной архитектурой покрывает сферическую поверхность (оранжевая) [32]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab Lakes, 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.
  2. ^ аб Эванс, Кен (1991), «Ауксетические полимеры: новый диапазон материалов», Endeavour , 15 (4): 170–174, doi : 10.1016/0160-9327(91)90123-S.
  3. ^ «Закон Гука». Экономист . 1 декабря 2012 года . Проверено 1 марта 2013 г.
  4. ↑ Куинион, Майкл (9 ноября 1996 г.), Auxetic.
  5. ^ Эванс, Кен (1991), «Ауксетические полимеры: новый диапазон материалов», Endeavour , 15 (4): 170–174, doi : 10.1016/0160-9327(91)90123-S.
  6. ^ Морриш, Р.Б. (2019), «Одноклеточная визуализация изменений ядерной архитектуры», Front. Сотовое развитие. Биол. , 7 : 141, doi : 10.3389/fcell.2019.00141 , PMC 6668442 , PMID  31396512 .
  7. ^ 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.
  8. ^ Пространство воображения - 7 июня 1997 г. - New Scientist Space
  9. ^ 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.
  10. ^ Грима, Дж. Н.; Эванс, К.Э. (2006). «Ауксетическое поведение вращающихся треугольников». Журнал материаловедения . 41 (10): 3193–3196. Бибкод : 2006JMatS..41.3193G. doi : 10.1007/s10853-006-6339-8. S2CID  137547536.
  11. ^ «Пресс-релиз о продукте Nike Free 2016» .
  12. ^ 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.
  13. ^ аб 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.
  14. ^ 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.
  15. ^ Ли, Ян; Цзэн, Чанчунь (2016). «Комнатная температура, почти мгновенное изготовление ауксетических материалов с постоянным коэффициентом Пуассона при большой деформации». Передовые материалы . 28 (14): 2822–2826. дои : 10.1002/adma.201505650. PMID  26861805. S2CID  5260896.
  16. ^ 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. PMID  17740733. S2CID  137416819.
  17. ^ 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.
  18. ^ Городцов, В.А.; Лисовенко, Д.С. (2019). «Экстремальные значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона гексагональных кристаллов». Механика материалов . 134 : 1–8. doi :10.1016/j.mechmat.2019.03.017. S2CID  140493258.
  19. ^ 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.
  20. ^ Аб Берк, Мария (7 июня 1997 г.), «Развитие воображения», New Scientist , 154 (2085): 36
  21. ^ 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». Передовые материалы . 27 (8): 1455–1459. дои : 10.1002/adma.201404106. PMID  25504060. S2CID  19738771.
  22. ^ 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.
  23. ^ 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.
  24. ^ 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.
  25. ^ 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. PMID  31398716. S2CID  199519252.
  26. ^ 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.
  27. ↑ Ауксетические материалы, 9 марта 2001 г..
  28. ^ Марк, Шенк (2011). Складчатые оболочечные конструкции, кандидатская диссертация (PDF) . Кембриджский университет, Клэр-колледж.
  29. ^ 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. 
  30. ^ Эйдини, Марьям; Паулино, Главио Х. (2015). «Раскрытие свойств метаматериала в сложенных зигзагообразных листах». Достижения науки . 1 (8): e1500224. arXiv : 1502.05977 . Бибкод : 2015SciA....1E0224E. doi : 10.1126/sciadv.1500224. ISSN  2375-2548. ПМЦ 4643767 . ПМИД  26601253. 
  31. ^ Эйдини, Марьям (2016). «Зигзагообразные листовые ячеистые механические метаматериалы со складками». Письма по экстремальной механике . 6 : 96–102. arXiv : 1509.08104 . doi :10.1016/j.eml.2015.12.006. S2CID  118424595.
  32. ^ Мицци, Люк; Сальвати, Энрико; Спаггиари, Андреа; Тан, Джин-Чонг; Корсунский, Александр М. (2020). «Высокорастяжимые 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.
  33. ^ Тьемо Бюкманн; и другие. (май 2012 г.). «Специализированные трехмерные механические метаматериалы, изготовленные с помощью оптической литографии с прямой лазерной записью». Передовые материалы . 24 (20): 27:10–27:14. дои : 10.1002/adma.201200584. PMID  22495906. S2CID  205244958.
  34. ^ 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.
  35. ^ 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.
  36. ^ Карта, Джорджио; Брун, Мишель; Балди, Антонио (2016). «Проектирование пористого материала с изотропным отрицательным коэффициентом Пуассона». Механика материалов . 97 : 67–75. doi :10.1016/j.mechmat.2016.02.012.
  37. ^ 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.
  38. ^ 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.
  39. ^ Стеценко, М (2015). «Определение упругих констант углеводородов тяжелых нефтепродуктов с использованием метода молекулярно-динамического моделирования». Журнал нефтяной науки и техники . 126 : 124–130. дои : 10.1016/j.petrol.2014.12.021 .

Внешние ссылки