Stellen Sie sich vor, Sie ziehen an den langen Enden eines rechteckigen Gummistücks. Es sollte schmaler und dünner werden. Aber was wäre, wenn es stattdessen breiter und dicker würde? Drücken Sie nun auf dieselben Enden. Was wäre, wenn das Gummi schmaler und dünner würde?
Solche Materialien, die jeder vernünftigen Vorstellung widersprechen, gibt es tatsächlich. Sie heißen Auxetika und verfügen über eine Reihe einzigartiger Eigenschaften, die sie für Turnschuh-Einlegesohlen, bombensichere Gebäude, Autostoßstangen und Kleidung prädestinieren.
Trotz dieses großen Potenzials kommen auxetische Produkte nur langsam auf den Markt. Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Chicago wollen dies ändern.
In einer neuen Studie veröffentlicht In npj Computergestützte Materialiengaben sie bekannt, dass sie ein neues Tool entwickelt haben, das das Design von Materialien mit auxetischen Eigenschaften einfacher und schneller macht. Als Algorithmus ermöglicht das Tool das präzise dreidimensionale Design von Auxetika.
„Das ist ein riesiger Fortschritt für die Auxetik“, sagte Edwin Chan, Materialforscher am NIST und Mitautor der Studie. „Wir können das Material tatsächlich so optimieren, dass es genau die mechanischen Eigenschaften und das Verhalten hat, die man sich wünscht.“
Das Verhalten elastischer Materialien wird teilweise durch die Poissonzahl beschrieben, die erklärt, wie das Material seine Form ändert, wenn man es in eine Richtung dehnt oder zusammendrückt.
Die meisten Materialien haben eine positive Poissonzahl, was bedeutet, dass sie in eine Richtung breiter und/oder dicker werden, wenn man sie zusammendrückt. Wenn man sie dehnt, werden sie schmaler und/oder dünner.
Auxetika weisen einen negativen Poisson-Zahlenwert auf und bewirken genau das Gegenteil.
Wenn Sie ein nicht-auxetisches Material stanzen, wird es dünner und dehnt sich seitlich aus. Wenn Sie ein auxetisches Material stanzen, wölbt sich das Material und wird schmaler. Unter den richtigen Umständen bietet dies eine größere Stoßfestigkeit.
Wenn Sie beispielsweise auf einen mit Wasser gefüllten Beutel schlagen (wie Sie ihn zum Wandern mitnehmen), fließt das darin enthaltene Wasser vom Aufprallpunkt weg. Wäre der Beutel beim Schlagen jedoch mit einem auxetischen Schaum gefüllt, würde das Material dichter und steifer werden.
Dies ist einer der Gründe, warum Auxetika für den Einsatz in Gebäuden und Autos in Betracht gezogen werden. Sie bieten möglicherweise besseren Schutz vor Explosionen und Kollisionen. In der Innensohle eines Turnschuhs könnte ein auxetisches Gel oder ein auxetischer Schaumgummi den Fuß beim Auftreffen auf den Boden besser abfedern.
In der Bekleidung könnten sich auxetische Nylons, Fasern und andere synthetische Materialien als angenehmer erweisen als herkömmliche Materialien. Da sie sich beim Dehnen ausdehnen, verteilen sie den Druck effektiver über den Körper und können so Rücken, Gelenke, Nacken oder Schultern entlasten. Eine Studie über die Verwendung auxetischer Materialien in BH-Trägern ergab, dass „auxetische Polyester- und Nylonstrukturen bemerkenswerte Druckverteilungsfähigkeiten aufweisen“.
Das von den Wissenschaftlern des NIST und der University of Chicago entwickelte Designtool ist ein „inverser Design“-Algorithmus, was bedeutet, dass Benutzer den gewünschten Wert für die Poisson-Zahl ihres auxetischen Materials eingeben können. Der Algorithmus schlägt dann eine optimierte Struktur für das Material vor.
Eine andere Möglichkeit, die Poissonzahl auszudrücken, besteht darin, dass sie die Beziehung zwischen Form und Volumen beschreibt, wenn sich eines dieser Elemente ändert. Der neue Algorithmus ermöglicht eine Feinabstimmung dieser Beziehung, um auxetische Materialien zu erzeugen, die sich auf eine Weise verhalten, die in der Natur nicht zu finden ist.
„Unsere Forschung ist ein schönes Beispiel dafür, wie theoretische, experimentelle und computergestützte Wissenschaft zusammenwirken, um etwas Neues zu verwirklichen“, sagte Marcos Reyes-Martinez, Materialforschungsingenieur am NIST. „Wenn wir eine Möglichkeit haben, Auxetika zu verbessern, können wir ihnen in unserem Alltag mehr Raum geben.“
Die Forscher haben patentierte den Algorithmus sowie die zugrundeliegende Methodik und deren Umsetzung mittels 3D-Druck.
Mehr Informationen:
Meng Shen et al., Ein autonomer Design-Algorithmus zur experimentellen Realisierung dreidimensionaler isotroper auxetischer Netzwerkstrukturen ohne Kompromisse bei der Dichte, npj Computergestützte Materialien (2024). DOI: 10.1038/s41524-024-01281-y
Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von NIST erneut veröffentlicht. Lesen Sie die Originalgeschichte Hier.