Що таке ауксетичні матеріали, чим вони особливі та чому варто досліджувати їх із погляду механіки – спеціально для сайту Національної академії наук України люб’язно пояснив завідувач відділу реології Інституту механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України член-кореспондент НАН України Ярема Рущицький.
Крім традиційних матеріалів, сучасні наука і промисловість мають до справи із так званими метаматеріалами. Це великий клас нових матеріалів із незвичними властивостями, яких раніше не спостерігали.
Підкласом метаматеріалів є механічні метаматеріали, зокрема ауксетичні (або ж, як їх іще називають, ауксетики – у перекладі з давньогрецької це слово означає «ті, що намагаються зростати»). До них належать, наприклад, деякі піни та гуми. Якщо говорити просто й дуже узагальнено, головна особливість ауксетиків полягає в тому, що, на відміну від класичних матеріалів, вони не тоншають, а грубшають, роздуваються, розпухають у поперечному перерізі. Це відбувається із циліндричним чи призматичним зразком матеріалу, що зазнає одновісного розтягу, тобто розтягується у протилежні боки вздовж однієї осі.
Схематичне зображення одновісного розтягу традиційних і ауксетичних матеріалів (джерело: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0263823123003282)
Відколи на початку 1980-х років ауксетики було відкрито й ідентифіковано як новий клас матеріалів, їх вивчають переважно методами молекулярної фізики, інженерного та комп’ютерного моделювання, матеріалознавства. А проте, як вважає член-кореспондент НАН України Ярема Рущицький, саме механіка відкриває додаткові широкі можливості й перспективи для передбачення й опису поведінки ауксетиків. Дослідження за цим напрямом активно тривають в Інституті механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України. Там, скажімо, з’ясували, що ауксетики можуть виявляти свої особливі властивості далеко не за будь-яких умов.
Докладніше про це йтиметься трохи далі, та спершу повернімося до історії питання, описуючи яку, неможливо уникнути певного занурення у високу науку. Доктор Кен Еванс (нині професор Університету Ексетера у Великій Британії) 1991 року запровадив термін «ауксетичні матеріали» щодо всіх матеріалів, для яких значення коефіцієнту Пуассона є від’ємним. У лінійній теорії пружності коефіцієнт Пуассона є однією з пружних сталих (констант) матеріалу, якою описують змінення площі поперечного перерізу зразка. Для класичних, традиційних матеріалів (або, радше, матеріалів, що поводяться як традиційні) коефіцієнт Пуассона завжди має додатне значення. Для ауксетиків – від’ємне. Від 1987 року більшість учених – матеріалознавців, фізиків і навіть почасти механіків – вважають від’ємний коефіцієнт Пуассона індикатором ауксетичності. Проте, на думку члена-кореспондента НАН України Яреми Рущицького, це лише вторинний факт, а визначальною для ауксетиків є їхня особлива внутрішня структура. Про це свідчать нові теоретичні результати, здобуті в Інституті механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України.
Схематичне зображення деформації ауксетичного матеріалу з гексагональною структурою (гексагональна є найпоширенішою структурою ауксетиків). Джерело: https://jffhmt.avestia.com/2022/016.html
Джерело: https://link.springer.com/article/10.1007/s00004-019-00428-5/figures/4
Оскільки деформація деяких зразків ауксетичних матеріалів (а саме – пін) може сягати 300%, а класична, лінійна теорія пружності допускає деформації лише до 3–4%, то науковці Академії здійснили розрахунки і моделювання деформацій в ауксетиках за допомогою інструментарію концепції нелінійної теорії пружності. І довели, що лише моделі цієї теорії здатні коректно описувати деформування ауксетичних матеріалів і конструкцій із них, адже теоретичні результати за цим напрямом досліджень цілком корелюють з експериментальними.
Зокрема, в Інституті механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України нелінійні моделі гіперпружного деформування адаптували до теоретичного аналізу трьох універсальних деформацій (їх також називають універсальними станами) – одновісного розтягу-стиску, простого зсуву та всестороннього зсуву – для піни, полістиролу та деяких інших матеріалів із властивостями ауксетичності. Науковці Інституту дійшли несподіваного висновку, що один і той же матеріал може виявляти властивості як традиційного матеріалу (за малих деформацій), так і нетрадиційного, тобто ауксетика (коли величина деформації збільшується до помірних значень). Хоча досі матеріал відносили або до традиційних, або до ауксетиків за будь-яких деформацій.
Отже, науковці Академії теоретично спостерегли абсолютно новий нелінійний ефект деформування матеріалу, нове механічне явище – перехід матеріалу з однієї категорії до іншої. І дійшли висновку, що ауксетичні матеріали виявляють властивості ауксетичності лише за великих (скінченних) деформацій, а моделі нелінійної механіки є логічним наступним кроком у розвитку теорії ауксетиків. Дослідження Інституту механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України за цим напрямом тривають.
Приклади використання ауксетичних матеріалів
Пергола (накриття) з ауксетичного матеріалу. Фото: https://www.detail.de/de_en/pergola-of-auxetic-structure
Ауксетики у фешн-індустрії. Фото: https://adg.csail.mit.edu/wp-content/uploads/2022/12/2016SIGGRAPH_RegularAuxetics.pdf
Застосування легких ауксетичних композитних панелей для підвищення балістичних та ударостійких можливостей бронетехніки. Джерело: https://www.researchgate.net/figure/An-application-of-lightweight-auxetic-composite-panels-to-enhance-the-ballistic-and_fig1_285618123
Більше з теми читайте у розширеному матеріалі члена-кореспондента НАН України Яреми Рущицького.
За інформацією Інституту механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України
Джерело чільної ілюстрації: https://www.leonpaul.com/blog/chest-protector-development/