Ауксетики противоречат интуиции: они расширяются при растяжении и сужаются при сжатии. Теперь исследователи значительно упростили их производство, открывая возможности для создания новых видов ауксетических продуктов — от улучшенных стелек для кроссовок до зданий, устойчивых к взрывам.
Допустим, у вас есть прямоугольный кусок резины, за который вы тянете за длинные концы.
Вместо того чтобы становиться уже и тоньше, как это обычно происходит, что если он начнет расширяться и станет толще?
А теперь представьте, что вы надавливаете на те же самые концы. Что если в результате резина станет уже и тоньше?
Существуют материалы, которые вызывают интерес и удивление своими свойствами. Их называют ауксетиками. Они обладают уникальными характеристиками, делающими их привлекательными для использования в стельках для кроссовок, строительстве бомбоустойчивых зданий, изготовлении автомобильных бамперов и одежды.
Несмотря на огромный потенциал, ауксетики медленно входят на рынок. Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Чикагского университета стремятся изменить эту ситуацию.
В своем новом исследовании, опубликованном в журнале NPJ Computational Materials, они сообщают о создании нового инструмента, который упрощает и ускоряет процесс разработки материалов с ауксетическими свойствами. Этот инструмент позволяет точно проектировать ауксетики в трех измерениях.
«Это значительный прогресс в области ауксетиков», — отмечает Эдвин Чан, инженер по исследованию материалов в NIST и соавтор исследования. «Фактически, мы можем настраивать материал так, чтобы он обладал любыми желаемыми механическими свойствами и поведением».
Поведение эластичных материалов частично определяется их коэффициентом Пуассона, который объясняет, как материал меняет свою форму при растяжении или сжатии.
Большинство материалов имеют положительный коэффициент Пуассона, что означает, что сжатие в одном направлении приводит к расширению или увеличению толщины в других направлениях. Растяжение делает материал уже или тоньше.
Ауксетики, напротив, имеют отрицательный коэффициент Пуассона и ведут себя наоборот.
Когда обычный материал подвергается удару, он становится тоньше и расширяется вбок. Ауксетический материал же сжимается и становится уже. При правильных условиях это придает ему большую устойчивость к ударам.
Например, если вы ударите мешок, заполненный водой (как будто вы несете его в походе), вода протечет из него из места удара. Однако, если бы мешок был заполнен ауксетической пеной, он бы сжался и стал жестче при ударе.
Именно поэтому ауксетики рассматриваются для использования в строительстве и автомобильной промышленности. Они могут обеспечить лучшую защиту от взрывов и столкновений. В стельках для кроссовок ауксетический гель или пена могут лучше амортизировать удары.
В одежде ауксетические материалы могут быть более удобными, чем традиционные. Поскольку они расширяются при натяжении, они эффективнее распределяют давление по телу, снимая нагрузку с определенных зон.
Инструмент проектирования, разработанный учеными из NIST и Чикагского университета, представляет собой алгоритм «обратного проектирования», который позволяет пользователям настраивать желаемый коэффициент Пуассона для ауксетического материала и затем предлагает оптимизированную его структуру.
Это пример успешной работы в области теоретической, экспериментальной и вычислительной науки для создания инновационных материалов. Обладание методом улучшения ауксетиков может сделать их более распространенными в повседневной жизни.
Алгоритм, разработанный исследователями, был запатентован, включая методологию и его реализацию с помощью 3D-печати.
