Уявіть, що ви тягнете за довгі кінці прямокутного шматка гуми. Він повинен стати вужчим і тоншим. Але що, якщо натомість він стане ширшим і товстішим? Тепер натисніть на ті самі кінці. Що, якби гума стала вужчою і тоншою?
Такі матеріали, що суперечать здоровому глузду, існують. Вони називаються ауксетиками і мають цілу низку унікальних властивостей, які роблять їх придатними для виготовлення устілок для кросівок, бомбостійких будівель, автомобільних бамперів та одягу.
Незважаючи на такий великий потенціал, ауксетичні продукти повільно виходять на ринок. Дослідники з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) та Чиказького університету сподіваються змінити цю ситуацію.
У новому дослідженні, опублікованому в журналі NPJ Computational Materials, вони оголосили, що розробили новий інструмент, який полегшує і прискорює розробку матеріалів з допоміжними властивостями. Алгоритм цього інструменту дозволяє здійснювати точне тривимірне проектування ауксетиків.
Удосконалений інструмент для проектування допоміжних матеріалів
«Це величезний крок вперед для ауксетики», – сказав інженер з дослідження матеріалів NIST Едвін Чан, співавтор дослідження. «Ми можемо фактично оптимізувати матеріал, щоб він мав будь-які конкретні механічні властивості та поведінку, які ви хочете».
Поведінка еластичних матеріалів частково описується коефіцієнтом Пуассона, який пояснює, як матеріал змінює форму, коли ви розтягуєте або стискаєте його в одному напрямку. Більшість матеріалів мають позитивний коефіцієнт Пуассона, що означає, що стискання їх в одному напрямку робить їх ширшими та/або товщими в інших напрямках. Розтягування робить їх вужчими та/або тоншими.
Ауксетики мають від’ємне значення коефіцієнта Пуассона і діють з точністю до навпаки.
Коли ви пробиваєте неакселективний матеріал, він стає тоншим і розширюється в бік. Коли ви пробиваєте ауксетик, матеріал збирається в пучки і звужується в ширину. За правильних обставин це забезпечує більшу стійкість до удару. Наприклад, якщо ви вдарите по сумці, наповненій водою (як у туристичному поході), вода в ній витече з місця удару. Якщо ж мішок був би наповнений допоміжною піною, то при ударі матеріал став би щільнішим і жорсткішим.
Потенційне застосування у сфері безпеки та комфорту
Це одна з причин, чому ауксетики розглядаються для використання в будівлях і автомобілях. Вони можуть забезпечити більший захист від вибухів і зіткнень. В устілках кросівок, аукситичний гель або гумова піна можуть краще пом’якшити стопу при ударі об землю.
В одязі допоміжні нейлон, волокна та інші синтетичні матеріали можуть виявитися більш зручними, ніж традиційні матеріали. Оскільки вони розширюються при розтягуванні, вони більш ефективно розподіляють тиск по всьому тілу, потенційно зменшуючи навантаження на спину, суглоби, шию та плечі. Одне з досліджень використання допоміжних матеріалів у бретелях бюстгальтерів показало, що «допоміжні структури з поліестеру та нейлону демонструють чудову здатність розподіляти тиск».
Інструмент проектування, розроблений вченими NIST і Чиказького університету, являє собою алгоритм «зворотного проектування», що означає, що користувачі можуть ввести бажане значення коефіцієнта Пуассона для свого допоміжного матеріалу. Потім алгоритм пропонує оптимізовану структуру матеріалу.
Інший спосіб вираження коефіцієнта Пуассона полягає в тому, що він описує взаємозв’язок між формою та об’ємом, коли один з них змінюється. Новий алгоритм дозволяє тонко налаштовувати цей взаємозв’язок, щоб створювати допоміжні матеріали, які поводяться так, як не зустрічаються в природі.
«Наше дослідження є прекрасним прикладом того, як теоретичні, експериментальні та обчислювальні науки працюють разом, щоб реалізувати щось нове», – сказав інженер з дослідження матеріалів NIST Маркос Рейес-Мартінес (Marcos Reyes-Martinez). «Наявність способу зробити ауксетики кращими дозволить їм стати більш поширеними в нашому повсякденному житті».
Дослідники запатентували алгоритм, а також методологію, що лежить в його основі, та її реалізацію за допомогою 3D-друку.