اکستیک

اکستیک‌ها یامواد آگزتیک یا مواد پادکشسان (به انگلیسی: Auxetics) موادی با ضریب پواسون منفی هستند. اکستیک‌ها در هنگام اعمال تنش کششی عمودی، برخلاف مواد معمول، در راستای عمود بر نیروی وارده، ضخیم‌تر می‌شوند.[1] این خاصیت در کامپوزیت‌های لایه‌ای[2]، فوم‌های پلیمری و فلزی[3] دیده‌شده‌است. جامدات اتمی با ساختار مکعبی هنگامی که در جهت [۱۱۰] کشیده شوند نیز چنین رفتاری از خود نشان می‌دهند.[4]

در ۲۰ سال اخیر مواد اکستیک توجه فراوانی را به خود جلب کرده‌اند ,از مقیاس نانو گرفته تا سانتی متر.مواد اکستیک امکان ساخت سازه‌ها و کامپوزیت‌های صنعتی با خواص مکانیکی بهبود یافته نظیر مدول برشی بالاتر را ممکن می‌کنند.[5]

نخستین مقاله چاپ شده دربارهٔ مواد اکستیک مصنوعی در نشریه علم در سال ۱۹۸۷ بوده که عنوان آن "سازه‌های فومی با ضریب پواسون منفی " نوشتهٔ R.S Lakes از دانشگاه آیووا می‌باشد.

تاریخچه

ضریب پواسون منفی ابتدا در سال ۱۹۴۷ میلادی توسط Love گزارش شد. در آنزمان عقیده بر آن بود که مواد با ضریب پواسون منفی دست یافتنی نیستند و این پدیده به عنوان یک نقص در کریستال سولفید آهن خاطر نشان گردید.[6]. در ۱۹۸۷ Lakes ضریب پواسون منفی را در فوم‌های پلی‌یورتان کشف کرد.[1]

لغت اکستیک از لغت یونانی αὐξητικός (اکستیکوس) به معنی "چیزی که تمایل به افزایش دارد" از ریشه αὔξησις (اکسیس) به معنی "افزایش" برگرفته شده‌است. زبانشناسی تاریخی این لغت اولین بار توسط پروفسور کن ایوانز از دانشگاه اکستر انجام شد.[7]

یکی از اولین مواد آکستیک مصنوعی در سال ۱۹۷۸ توسط محقق آلمانی کی.پیتش ساخته شد. اگرچه از لفظ آکستیک استفاده نکرد، او برای اولین باربه خواص این ماده پی برد و به عنوان مخترع تور آکستیک شناخته می‌شود . نخستین عنوان منتشر شده درمورد یک ماده با نسبت پواسون منفی در سال ۱۹۸۵ توسط آ.گ.کولپاکوف با عنوان " Determination of the average characteristics of elastic frameworks" بود. ماده ی بعدی ساخته شده از با این ویژگی در سال ۱۹۸۷ با عنوان "ساختار های فوم با نسبت پواسون منفی" توسط آر.اس.لیکس از دانشگاه ویسکانسین بود . استفاده از واژه‌ی آکستیک احتمالا به سال ۱۹۹۱ باز می‌گردد.

تعداد کمی مواد با ضریب پواسون منفی به صورت طبیعی وجود دارند. یک مثال از مواد اکستیک طبیعی استخوان است. ضریب پواسون منفی استخوان نخست توسط Williams و Evans اندازه‌گیری شد.[8][9] ساختارهای مصنوعی با رفتار های مشابه اولین بار در زمینه های کاربردی به عنوان کند کننده هسته ی اتمی راکتور های مگنوکس استفاده شد. به طوری که رفتار آکستیک در اثر حرکت شعاعی ستون های گرافیتی ایجاد می‌شد. این ساختار طراحی شده بود تا در برابر نیرو های افقی ایجاد شده هنگام زلزله پایدار بماند. در عین حال اجازه‌ی حرکت آزادانه‌ی سازه برای تغییر شکل ناشی از انتقال حرارت میان هسته ی گرافیتی و فلزات حمایت کننده‌ی سازه در لبه های هسته را می‌داد. طراحی این ساختار منجر به حل یک مشکل اساسی شد.[10]

خواص مکانیکی

اثر نسبت پواسون در خواص مکانیکی یک ماده ی همسانگرد از رابطه‌ی زیر محاسبه می‌شود.

که در آن G مدول برشی و E مدول یانگ است و ν نسبت پواسون است.

از رابطه ی بالا می‌توان مشاهده کرد که مواد با نسبت پواسون نزدیک به 0.5 مانند لاستیک ها دچار تغییر شکل های برشی میشوند اما حجم آنها تغییر نمیکند.هنگامی که نسبت پواسون به مقدار منفی یک می‌رسد برای مواد ایزوتروپیک مدول برشی به مقدار بینهایت میل می‌کند و ماده شکل خود را در حین بارگذاری حفظ می‌کند این ماده ها در برابر برش مقاوم اند اما تغییر شکل آنها آسان است. در اینجا باید یادآوری کنیم که این روابط فقط برای مواد ایزوتروپیک(همسانگرد) معتبر هستند.به گونه ای که در مواد ناهمسانگرد نسبت پواسون میتواند از منفی بینهایت تا مثبت بینهایت را اختیار کند.[11]

ساختار های آکستیک
ساختار دست سانی آکستیک

ساختار دست سانی : ساختار دست سانی (شیمی) از اتصال مفصل های مستقیم به گره های مرکزی به وجود می‌آیند که این گره ها میتوانند دایره یا شکل های هندسی دیگری داشته باشند. اثر آکستیک توسط پیچیدن یا باز شدن این مفصل ها در اطراف گره ها در پاسخ به اعمال نیرو به دست می‌آید. نسبت پواسون ساختار های دست سانی منفی یک است.[12]

ساختار های دورانی: ساختار های آکستیک دورانی اولین بار توسط Girma و Evans ارائه شدند. به طوری که سلول های مستطیلی و مثلثی توسط لولا هایی به هم متصل شده بودند. این مدل از ساختارها مقدار منفی یک را برای نسبت پواسون نتیجه دادند. رفتار آکستیک واحد های دورانی توسط روش های آماری برای مستطیل ها و مثلث های در حال دوران اندازه گیری شد. واحد های نیمه صلب دورانی نیز ساخته شدند. ساختار های واقعی با رفتار مشابه با واحد های دورانی به صورت شبیه سازی های عددی آزمایش شدند.[13]

ساختار شش گوشه شانه‌ی عسل: ساختار های هندسی آکستیک دیگری در گذشته ساخته شد : ساختار غیر دست سانی با استراتژی های متفاوت در اتصال به گره های مرکزی ساختار ستاره و پیکان های دوسر ،ساختار های دو بعدی صفحه ای و ساختار شش گوشه ای شانه ی عسل نیز با آنالیز های متعددی روی مقادیر ویژه و فرکانس طبیعی متفاوت از مواد غیر آکستیک با ساختار شانه ی عسل تولید شد.[14]

کریستال‌های اکستیک

رفتار اکستیک در کریستال‌های FCC و BCC و مکعبی ساده و به ندرت در کریستال‌های HCP مشاهده شده‌است با این حال مکانیزم در پس این رفتار تا امروز اندکی شناخته شده‌است.مطالعاتی که روی ضریب پواسون منفی انجام شده‌است تاکنون از ثابت الاستیسیته که از شبیه سازی‌های دینامیکی تجربی (در مقیاس بزرگ) یا مولکولی بدست می اید برای محاسبه ضریب پواسون استفاده کرده‌اند بدون توضیح علت نهفته‌ای که باعث به وجود آمدن این رفتار می‌شود.

البته رفتار کریستال‌های پیچیده تر مانند زئولیت‌ها و کریستوبالیت‌ها مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته و مکانیزم مولد ضریب پواسون منفی آن‌ها کشف شده‌است.[5]

مدل دو بعدی گسسته با مقیاس محدود. اجزاء دارای درجات آزادی چرخشی هستند(بر گرفته از مدل Ishibashi-Iwata). هر جزءدارای سه درجه آزادی جابه جایی u m,n , v m,n و زاویه چرخش ϕ m,n می‌باشد. h فاصله اجزاء شبکه , a اندازه اجزاء , و α زاویه چرخش هر جزء می‌باشد.

کریستال‌های بسیاری وجود دارند که دارای دسته‌های اتمی صلب با اثر متقابل ضعیف بین اتم‌های آن‌ها هستند که برای مشخص کردن مکان, جهت‌گیری و انحراف اتم‌های آن‌ها باید نه تنها جابه جایی بلکه چرخش و البته سایر درجات آزادی آن‌ها را در نظر گرفت.اما اتم‌های مواد مورد نظر ما به گونه‌ای قرار گرفته‌اند که درجات آزادی مکانی و چرخشی به صورت زوج و متأثر از هم به صورت مقید تغییر می‌کنند.(مطابق شکل)[15]

گونه‌های مهمی از این مواد عبارت اند از پلی مورف‌های سیلیس (sio2) که انرژی مورد نیاز برای تغییر شکل چهار وجهی آن‌ها بسیر بیشتر از انرژی مورد نیاز برای چرخش متقابل اتم‌های آنهاست.[15]

چگونه ساخته می‌شوند؟

مواد اکستیک به‌طور عمده می‌توانند به دو روش ساخته شوند.بوسیلهٔ روش بالا به پایین پلیمرهای عادی دستکاری می‌شوند تا ساختار و ویژگی‌های مطلوب را به وجود آورند.در روش پایین به بالا ماده از خراشیدن مولکول به مولکول ساخته می‌شود که به آن‌ها اجازه می‌دهد که در مقیاس بسیار کوچک مهندسی شوند. در هر دو روش هدف ایجاد یک الگوی تکرار شونده از بلوک‌ها و سلول‌هایی است که دارای شکل ضروری لولا مانند باشند.

نخستین ماده اکستیک مصنوعی بر پایه پلیمر با روش بالا به پایین در سال ۱۹۸۷ ساخته شد. Rod Lakes از دانشگاه آیووا (Iowa University) کار خود را با یک فوم پلی‌اورتان که شامل آرایش شش گوش شانه عسل مانند بود شروع کرد. هنگامی که او به این ساختار سلولی نیرو و گرما وارد می‌کرد این نیرو و گرما باعث خم شدن دیواره‌های سلول و تأثیر در شکل شش ضلعی اکستیک می‌شد(شکل سمت چپ).

سال بعد از آن Ken Evans از دانشگاه اکستر (Exeter University) اکستیک دیگری با ساختار PTFE ساخت. این ساختار از حجم‌های بیضوی که به وسیله رشته‌هایی بلند که به نوک آن‌ها متصل است به یکدیگر وصل شده‌اند (شکل وسط). در شرایط عادی این بیضی‌ها در حالی که رشته‌ها اطراف آن‌ها هستند روی هم انباشته می‌شوند. اگر این ماده در جهت رشته‌ها کشیده شود رشته‌ها نیز کشیده شده و این باعث چرخیده شدن اشکال بیضوی می‌شود که ساختار را به شکل نرده مانند مرتب می‌کند(شکل سمت راست).

اعمال نیرو به شش ضلعی اکستیک
ساختار مرتب شده پس از اعمال نیرو
اشکال بیضوی متصل به هم با رشته ها

مواد اکستیک

مواد اکستیک از لحاظ نحوه تشکیل به چهار دسته تقسیم‌بندی می‌شوند.[16]

۱-جامدات با ساختار سلولی

۲-پلیمرهای ریزحفره Microporous material اکستیک

۳-کامپوزیتهای اکستیک : کامپوزیت ها از ترکیب دو یا چند ماده با خواص متفاوت ساخته می‌شوند. ساختار های سیم و لولای کامپوزیت توسط میلتون مورد بررسی قرار گرفتند. به طوری که تحت تغییر شکل های کوچک در جهت افزایش عرض باعث افزایش افزایش طولی می شود. اگر مجموعه ای از این مدل ها کنار هم در یک ماتریس قرار گیرند، یک کامپوزیت با نسبت پواسون منفی ساخته خواهد شد. کامپوزیت های آکستیک میتوانند با قرار گرفتن توسط یک رزین تقویت شده با فیبرکربن تولید شوند.[17]

۴-مواد اکستیک مولکلی : پس از تولید موفقیت آمیز مواد آکستیک از فوم های مرسوم محققان به دنبال فرآیندی بودند تا بتوانند مواد سخت تر برای کاربرد های گسترده تر در مهندسی تولید کنند . ساختاری از پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) تولید و توسط تست های کششی ارزیابی شد و نسبت پواسون منفی بسیار زیادی به اندازه ی منفی دوازده در یک جهت بدست آمد و توسط ساختار آنیزوتروپیک فوم توجیه شد . پلیمر های با ساختار متخلخل مشابه میتوانند توسط پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE) با چند تفاوت ساخته شوند : توده ها در UHMWPE تقریبا کروی هستند و ساختار آنها بیشتر ایزوتروپیک است . این تفاوت ها روی نسبت پواسون UHMWPE اثر میگذارد به گونه ای که نسبت پواسون آنها کمتر از منفی 1.24 نیست محققان همچنین متوجه شدند رفتار آکستیک برخی پلیمر ها به ابعاد ماده وابسته نیست ، که مناسب برای تولید قطعات با ابعاد بزرگتر است . پلیمر های آکستیک به دلیل داشتن ساختار متخلخل خود فضای کافی را به توده ها جهت پخش شدن می‌دهند .اما این حفره حفره بودن باعث کاهش چگالی و نامناسب بودن برای برخی کاربرد ها می‌شود. یکی از روش ها برای حل این مشکل آن است که مواد با مولکول های آکستیک ساخته شوند به صورتی که ساختار مولکولی به گونه ای ایجاد می‌شود که نسبت پواسون منفی در آن به وجود آید . به این صورت که عناصر مولکولی که رفتار آکستیک در ساختار مولکولی خود دارند را وارد ساختار مولکولی ماده میکنند . [18]

برخی کاربردها

رآکتورهای هسته ای مگنوکس (magnox)

امروزه مواد اكستيك در آرام‌کننده ( moderator ) هاي راكتور هاي هسته اي مگنوکس استفاده ميشوند به اين دليل كه اين مواد بيشترين مدول برشي براي محافظت از ميله هاي گرافيتي در مقابل خطرات ناشي از زمين لرزه را دارند.[19]

کاربرد نظامی

آژانس لباس‌ها و منسوجات دفاعي ( defence clothing and textile agency (DCTA) ) در كالچستر كه وظيفه ي تحقيقات در مورد لباس هاي با تكنولوژي بالا (hi-tech) براي ارتش را دارد در پي بررسي استفاده هاي منسوجات اكستيك براي اهداف نظامي است.این توجه به مواد اکستیک به دلیل مقاومت بالایی که این مواد در مقابل ضربه دارند است در نتیجه این مواد برای استفاده به عنوان جلیقه‌های ضد گلوله و تجهیزات مشابه مناسب هستند.در هنگام اصابت گلوله ,مواد اکستیک از اطراف فشرده تر شده و جلوی پیشروی هرچه بیشتر گلوله را می‌گیرند.[20]

زیست پزشکی

مواد اکستیک توجه متخصصان زیست پزشکی را نبز به خود جلب کرده‌است.این مواد در زیست پزشکی می‌توانند به عنوان دیلاتور برای باز کردن رگ‌های گرفته و یا حتی ساخت رگ‌های مصنوعی مورد استفاده قرار گیرند.[21] جداره رگ‌های مصنوعی در صورتی که از مواد مرسوم ساخته شوند در هنگام پمپاژ خون نازک و ضعیف می‌شوند که در این صورت احتمال پارگی افزایش می یابد اما اگر این رگ‌ها از مواد اکستیک ساخته شوند جداره در هنگام جریان خون کلفت تر می‌شود.


کاربرد ورزشی
نحوه‌ی عکس العمل نشان دادن ماده‌ی آکستیک و غیر آکستیک در برابر برخورد
در این کفش ,طراحی اکستیک به کف کفش اجازه می‌دهد تا اندازه آن در هنگام قدم زدن یا دویدن افزایش یابد, به این ترتیب انعطاف‌پذیری افزایش می یابد.

رفتار اکستیک همچنین در مقیاس ماکرو می‌تواند برای توسعه محصولاتی با خواص بهبود یافته مانند کفش‌های خاص بر پایه ساختار اکستیک مثلث‌های دوار که توسط Grima و Evans توسعه یافت به کار گرفته شود که به ورزشکار کمک می‌کند که حرکت طبیعی خود را در حین دویدن یا تمرین حفظ کند که به افزایش استقامت او کمک می‌کند.[22] در ورزش های مختلف مانند اسکی فوتبال آمریکایی و غیره رد پای مواد آکستیک مشهود است . این مواد به دلیل توانایی جذب انرژی بالا و توانایی تغییر شکل خاص خود در برابر تنش در ساخت تجهیزات محافظتی استفاده می ‌شوند. خاصیت مواد آکستیک مانند انحنای دوبل (دو جانبه) می‌تواند باعث افزایش راحتی و دوام بیشتر لوازم ورزشی و محافظت شخص شوند. ساختار شبکه ای در این مواد باعث افزایش میزان سختی خمش شده و ماده میتواند خمش زیادی را تحمل کند؛ در نتیجه می‌توان چوب های اسکی یا راکت های تنیس سبک تری ساخت بدون آنکه سختی آنها تغییر چندانی کند . از مواد آکستیک برای ساخت وسایل ایمنی در حوزه هایی که نیاز به جذب انرژی مراقبت در برابر برخورد و نفوذناپذیری مانند کلاه ایمنی نیز استفاده می‌شود. [23]

کاربرد در صنعت الکترونیک

کاربرد دیگر مواد آکستیک در پیزو الکتریک ها و اکچویتور ها است. فلزات آکستیک می‌توانند به عنوان الکترود پلیمر های پیزو الکتریک را در بر گرفته؛ یا سیم های از جنس سرامیک های پیزوالکتریک می‌توانند در میان الیاف یک پلیمر آکستیک قرار داده شوند . این مواد باعث افزایش چند برابری حساسیت پیزوالکتریکی دستگاه ها می‌شوند. [24] ماده ی تک لایه ی Ag2S دارای نسبت پواسون منفی بالایی در جهت های روی صفحه و خارج آن است . اما مدول یانگ این ماده ی انیزوتروپ بسیار پایین است . داشتن خاصیت نسبت پواسون در در دو جهت بسیار کمیاب است ؛ این خاصیت به دلیل ساختار زیگزاگ تغییر شکل Ag2S است. محاسبات الکترونیکی نشان می‌دهند که یک فاصله ی غیر مستقیم نیمه رسانا به اندازه ی 2.83 الکترون ولت وجود دارد و میتواند تحت کرنش مستقیم شود . این ویژگی های جالب باعث میشوند Ag2S یک ماده‌ی آکستیک امیدوارکننده‌ درصنعت الکترونیک و مکانیک باشد.[25]

منابع
  1. Roderic Lakes, Foam structures with a negative Poisson’s ratio, Science Vol. 235 (1987), pp. 1038-1040 doi:10.1126/science.235.4792.1038
  2. Graeme W. Milton, Composite materials with poisson's ratios close to — 1, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Vol. 40 (1992), pp. 1105-1137. doi:10.1016/0022-5096(92)90063-8
  3. E. A. Friis, R. S. Lakes, and J. B. Park, Negative Poisson's ratio polymeric and metallic foams, Journal of Materials Science, Vol. 23 (1988), pp. 4406-4414. doi:10.1007/BF00551939
  4. Ray H. Baughman, Justin M. Shacklette, Anvar A. Zakhidov, Sven Stafström, Negative Poisson's ratios as a common feature of cubic metals, Nature, Vol. 392 (1998), pp. 362-365. doi:10.1038/32842
  5. International Journal of Solids and Structures.
  6. A.E.H. Love, A treatise on the mathematical theory of elasticity, (Dover,1944) 4th ed.
  7. Ken Evans. "Auxetic polymers: a new range of materials". pp. 170–174. More than one of |کتاب= and |عنوان= specified (help)
  8. Williams JL, Lewis JL. Properties and an anisotropic model of cancellous bone from the proximal tibial epiphyris. Journal of Biomechanical Engineering 1982; 104(1): 50-56.
  9. Evans KE (1990). Tailoring the negative Poisson's ratio. Chemistry and Industry 1990; 20: 654-657
  10. «Auxetic Cellular Materials - a Review». Journal of Mechanical Engineering. Nejc Novak* – Matej Vesenjak – Zoran Ren. doi:10.5545/sv-jme.2016.3656.
  11. «Advances in negative Poisson's ratio materials». Advanced Materials, vol. 5, no. 4, p. 293-296,. Lakes, R. (1993). doi:DOI:10.1002/adma.19930050416. مقدار |doi= را بررسی کنید (کمک). کاراکتر line feed character در |عنوان= در موقعیت 38 (کمک)
  12. «Auxetic Cellular Materials - a Review». Journal of Mechanical Engineering. Nejc Novak* – Matej Vesenjak – Zoran Ren. doi:10.5545/sv-jme.2016.3656.
  13. «Auxetic behavior from rotating squares». Journal of Materials Science Letters, vol. 19, no. 17,. Grima, J.N., Evans, K.E. (2000). doi:10.1023/A:1006781224002. مقدار |doi= را بررسی کنید (کمک). کاراکتر line feed character در |عنوان= در موقعیت 32 (کمک)
  14. «Auxetic Cellular Materials - a Review». Journal of Mechanical Engineering. Nejc Novak* – Matej Vesenjak – Zoran Ren. doi:10.5545/sv-jme.2016.3656.
  15. «Auxetic Behavior of Crystals from Rotational Degrees of Freedom». Ferroelectrics. S. V. Dmitriev. 02 May 2007. تاریخ وارد شده در |تاریخ= را بررسی کنید (کمک)
  16. Yang W, Li Z, Shi W, Xie B and Yang M , Review on auxetic materials , Journal of materials science 39 (2004) 3269-3279
  17. «Auxetic Cellular Materials - a Review». Journal of Mechanical Engineering. Nejc Novak* – Matej Vesenjak – Zoran Ren. doi:10.5545/sv-jme.2016.3656.
  18. «Auxetic Cellular Materials - a Review». Journal of Mechanical Engineering. Nejc Novak* – Matej Vesenjak – Zoran Ren. doi:10.5545/sv-jme.2016.3656.
  19. K. E. Evans and A. Alderson. advanced materials. ۱۲.
  20. P. McMullan, S. Kumar, and A. Grifin. World. vol٫ ۸. از پارامتر ناشناخته |توضیح= صرف‌نظر شد (کمک)
  21. ""Negative Poisson's Ratio Polymeric and Metallic Foams"". Journal of Materials Science. 1988. ISSN 4406-4414 Check |issn= value (help).
  22. «Auxetic behavior from rotating squares». Journal of Materials Science Letters. Grima, JN; Evans, KE (2000). doi:10.1023/A:1006781224002.
  23. "Review of Auxetic Materials for Sports Applications: Expanding Options in Comfort and Protection". Applied Sciences (ISSN 2076-3417; CODEN: ASPCC7). Olly Duncan , Todd Shepherd , Charlotte Moroney , Leon Foster Praburaj D. Venkatraman , Keith Winwood Tom Allen and Andrew Alderson (2018). 6 June 2018. doi:10.3390/app8060941. line feed character in |ناشر= at position 13 (help)
  24. «A growth industry». Materials world. P.J. Stott, R. Mitchell, K. Alderson and A. Alderson (2000).
  25. «Single-Layer Ag2S: A Two-Dimensional Bidirectional Auxetic Semiconductor». American Chemical Society. Rui Peng , Yandong Ma, Zhonglin He, Baibiao Huang, Liangzhi Kou, and Ying Dai (2019). doi:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b04761 مقدار |doi= را بررسی کنید (کمک). کاراکتر line feed character در |ناشر= در موقعیت 9 (کمک)

منابعی برای مطالعه بیشتر
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.