اکستیک

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
Auxetische Materialien.wiki.png

اکستیک‌ها (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.[۱] این خاصیت در کامپوزیت‌های لایه‌ای[۲]، فوم‌های پلیمری و فلزی[۳] دیده‌شده‌است. جامدات اتمی با ساختار مکعبی هنگامی که در جهت [110] کشیده شوند نیز چنین رفتاری از خود نشان می‌دهند.[۴]

در 20 سال اخیر مواد اکستیک توجه فراوانی را به خود جلب کرده اند ,از مقیاس نانو گرفته تا سانتی متر.مواد اکستیک امکان ساخت سازه ها و کامپوزیت های صنعتی با خواص مکانیکی بهبود یافته نظیر مدول برشی بالاتر را ممکن میکنند.[۵]

نخستین مقاله چاپ شده درباره مواد اکستیک مصنوعی در نشریه علم در سال 1987 بوده که عنوان آن "سازه های فومی با ضریب پواسون منفی " نوشته ی R.S Lakes از دانشگاه آیووا می باشد.

تاریخچه[ویرایش]

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.[۶]. در ۱۹۸۷ Lakes ضریب پواسون منفی را در فوم‌های پلی‌یورتان کشف کرد. [۱]

لغت اکستیک از لغت یونانی αὐξητικός (اکستیکوس) به معنی "چیزی که تمایل به افزایش دارد" از ریشه αὔξησις (اکسیس) به معنی "افزایش" برگرفته شده است. زبانشناسی تاریخی این لغت اولین بار توسط پروفسور کن ایوانز از دانشگاه اکستر انجام شد.[۷]

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 اندازه گیری شد.[۸] [۹]

کریستال های اکستیک[ویرایش]

رفتار اکستیک در کریستال های FCC و BCC و مکعبی ساده و به ندرت در کریستال های HCP مشاهده شده است با این حال مکانیزم در پس این رفتار تا امروز اندکی شناخته شده است.مطالعاتی که روی ضریب پواسون منفی انجام شده است تا کنون از ثابت الاستیسیته که از شبیه سازی های دینامیکی تجربی (در مقیاس بزرگ) یا مولکولی بدست می اید برای محاسبه ضریب پواسون استفاده کرده اند بدون توضیح علت نهفته ای که باعث بوجود آمدن این رفتار می شود.

البته رفتار کریستال های پیچیده تر مانند زئولیت ها و کریستوبالیت ها مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته و مکانیزم مولد ضریب پواسون منفی انها کشف شده است.[۵]

مدل دو بعدی گسسته با مقیاس محدود
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 می باشد. h فاصله اجزاء شبکه , a اندازه اجزاء , و α زاویه چرخش هر جزء می باشد.

کریستال های بسیاری وجود دارند که دارای دسته های اتمی صلب با اثر متقابل ضعیف بین اتم های آنها هستند که برای مشخص کردن مکان, جهت گیری و انحراف اتم های آنها باید نه تنها جابه جایی بلکه چرخش و البته سایر درجات آزادی آنها را در نظر گرفت.اما اتم های مواد مورد نظر ما به گونه ای قرار گرفته اند که درجات آزادی مکانی و چرخشی به صورت زوج و متأثر از هم به صورت مقید تغییر می کنند.(مطابق شکل)[۱۰]

گونه های مهمی از این مواد عبارت اند از پلی مورف های سیلیس (sio2) که انرژی مورد نیاز برای تغییر شکل چهار وجهی آنها بسیر بیشتر از انرژی مورد نیاز برای چرخش متقابل اتم های آنهاست.[۱۰]

چگونه ساخته می شوند؟[ویرایش]

مواد اکستیک به طور عمده می توانند به دو روش ساخته شوند.بوسیله ی روش بالا به پایین پلیمر های عادی دستکاری می شوند تا ساختار و ویژگی های مطلوب را بوجود آورند.در روش پایین به بالا ماده از خراشیدن مولکول به مولکول ساخته می شود که به آنها اجازه می دهد که در مقیاس بسیار کوچک مهندسی شوند. در هر دو روش هدف ایجاد یک الگوی تکرار شونده از بلوک ها و سلول هایی است که دارای شکل ضروری لولا مانند باشند.

نخستین ماده اکستیک مصنوعی بر پایه پلیمر با روش بالا به پایین در سال 1987 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 می کرد این نیرو و گرما باعث خم شدن دیواره های سلول و تاثیر در شکل شش ضلعی اکستیک می شد(شکل سمت چپ).

سال بعد از آن Ken Evans از دانشگاه اکستر (Exeter University) اکستیک دیگری با ساختار PTFE ساخت. این ساختار از حجم های بیضوی که به وسیله رشته هایی بلند که به نوک آنها متصل است به یکدیگر وصل شده اند (شکل وسط). در شرایط عادی این بیضی ها در حالی که رشته ها اطراف آنها هستند روی هم انباشته می شوند. اگر این ماده در جهت رشته ها کشیده شود رشته ها نیز کشیده شده و این باعث چرخیده شدن اشکال بیضوی میشود که ساختار را به شکل نرده مانند مرتب می کند(شکل سمت راست).

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

مواد اکستیک[ویرایش]

مواد اکستیک از لحاظ نحوه تشکیل به چهار دسته تقسیم بندی می شوند.[۱۱]

۱-جامدات با ساختار سلولی

۲-پلیمرهای ریزحفره Microporous material اکستیک

۳-کامپوزیتهای اکستیک

۴-مواد اکستیک مولکلی

برخی کاربرد ها[ویرایش]

رآکتور های هسته ای مگنوکس (magnox)[ویرایش]

امروزه مواد اكستيك در آرام کننده ( 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.[۱۲]

کاربرد نظامی[ویرایش]

آژانس لباس ها و منسوجات دفاعي ( defence clothing and textile agency (DCTA) ) در كالچستر كه وظيفه ي تحقيقات درمورد 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 جلیقه های 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.[۱۳]

زیست پزشکی[ویرایش]

مواد اکستیک توجه متخصصان زیست پزشکی را نبز به خود جلب کرده است.این مواد در زیست پزشکی میتوانند به عنوان دیلاتور برای باز کردن رگ های گرفته و یا حتی ساخت رگ های مصنوعی مورد استفاده قرار گیرند.[۱۴] جداره رگ های 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 رگ ها از مواد اکستیک ساخته شوند جداره در هنگام جریان خون کلفت تر می شود.

کاربرد ورزشی[ویرایش]
کفش با طراحی اکستیک
در این کفش ,طراحی اکستیک به کف کفش اجازه میدهد تا اندازه آن در هنگام قدم زدن یا دویدن افزایش یابد, به این ترتیب انعطاف پذیری افزایش می یابد.

رفتار اکستیک همچنین در مقیاس ماکرو می تواند برای توسعه محصولاتی با خواص بهبود یافته مانند کفش های خاص بر پایه ساختار اکستیک مثلث های دوار که توسط Grima و Evans توسعه یافت به کار گرفته شود که به ورزشکار کمک می کند که حرکت طبیعی خود را در حین دویدن یا تمرین حفظ کند که به افزایش استقامت او کمک می کند.[۱۵]

منابع[ویرایش]

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ 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. ۵٫۰ ۵٫۱ 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”. 170-174. 
  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. ۱۰٫۰ ۱۰٫۱ «Auxetic Behavior of Crystals from Rotational Degrees of Freedom». Ferroelectrics (S. V. Dmitriev)، 02 May 2007. 
  11. Yang W, Li Z, Shi W, Xie B and Yang M , Review on auxetic materials , Journal of materials science 39 (2004) 3269-3279
  12. K. E. Evans and A. Alderson. advanced materials. ج. 12. 
  13. P. McMullan, S. Kumar, and A. Grifin. World. ج. vol. 8. 
  14. “"Negative Poisson's Ratio Polymeric and Metallic Foams"”. Journal of Materials Science, 1988. ISSN 4406-4414. 
  15. «Auxetic behavior from rotating squares». Journal of Materials Science Letters. (Grima, JN; Evans, KE (2000)). doi:10.1023/A:1006781224002. 

منابعی برای مطالعه بیشتر[ویرایش]