Engineering Innovation: ауксетики — материалы, которые толстеют при растяжении

Что происходит с резинкой, когда её растягивают?

Она становится тоньше.

Растяните любой привычный материал — он сузится поперёк. Сожмите — раздастся вширь. Никому не приходило в голову, что материал может при растяжении толстеть.

Пена, вывернутая внутрь

В 1987 году Родерик Лейкс опубликовал в Science заметку с обескураживающе простым содержанием.

Он взял обычный пенополиуретан — тот, из которого делают губки и подушки, — сжал его сразу по трём осям, нагрел выше температуры размягчения и охладил в сжатом состоянии. Ячейки пены, прежде выпуклые, оказались вогнутыми внутрь: их рёбра сложились наподобие бабочки-галстука.

Полученный материал при растяжении расширялся поперёк.

Через несколько лет Кен Эванс предложил для таких материалов название — ауксетики, от греческого «увеличивающийся». Нашлись и природные примеры, которые всё это время были под рукой: минерал кристобалит, некоторые сухожилия, а по расчётам — большинство кубических металлов, если растягивать монокристалл вдоль подходящего направления.

Простейшая модель: вращающиеся квадраты

Понять механизм проще всего на игрушечной модели.

Вообразите жёсткие квадраты, соединённые между собой шарнирами по углам и уложенные в шахматном порядке — то повёрнутые вправо, то влево. В сложенном состоянии они плотно упакованы.

Потяните конструкцию за края. Квадраты не растягиваются — они поворачиваются вокруг шарниров. И, разворачиваясь, расталкивают соседей сразу в двух направлениях. Решётка раскрывается и по длине, и по ширине.

Второй классический механизм — вогнутая ячейка сотовой структуры. Обычные соты состоят из выпуклых шестиугольников: растянешь — стенки поворачиваются внутрь. Разверните боковые рёбра вовнутрь, сделав ячейку похожей на песочные часы, — и при растяжении рёбра начнут расходиться наружу.

Никакой экзотической химии. Только направление, в которое смотрят рёбра ячейки.

Уровень, на котором решено противоречие

Сформулируем задачу.

Материал должен тянуться — иначе он не деформируется и просто ломается.

Материал не должен утоньшаться при растяжении — иначе в месте вытяжки образуется шейка, там же концентрируется напряжение, и разрыв происходит именно там.

Для сплошного вещества требования несовместимы: связь между продольной и поперечной деформацией задана его упругими постоянными, и выбрать её произвольно нельзя.

Разрешение достигается введением промежуточного уровня организации. Между веществом и изделием появляется третий уровень — ячейка. Свойства теперь определяются не тем, из чего сделан материал, а тем, как устроена и как поворачивается его ячейка.

Обратите внимание на пену Лейкса: до обработки и после это один и тот же полиуретан. Тот же состав, та же плотность, те же молекулы. Изменилась только форма ячеек. Мы уже сталкивались с этой мыслью — свойства целого не следуют из свойств частей. Здесь она доведена до предела — свойство создано вообще без участия вещества, одной геометрией.

Четыре следствия, которых никто не заказывал

Самое интересное в ауксетиках — не сам эффект, а то, что из него вытекает.

Сопротивление вдавливанию. Надавите на обычный материал — он расступается в стороны от острия. Ауксетик стягивается к точке удара: материал сам сбегается туда, где нужен. Измеренная твёрдость при вдавливании оказывается заметно выше, чем у той же пены до обработки.

Крепёж, держащийся тем крепче, чем сильнее его тянут. Вставьте ауксетическую вставку в отверстие и потяните. Она толстеет и распирает стенки. Патент на такой фиксатор был получен ещё в начале девяностых.

Фильтр с управляемой порой. У ауксетической мембраны поры при растяжении раскрываются, а не смыкаются. Значит, размер ячейки регулируется натяжением — а заодно и забившийся фильтр можно прочистить, просто растянув его.

Где это применяют

Защитная экипировка и вставки в шлемы — там, где ценно стягивание материала к точке удара. Сосудистые стенты, расширяющиеся при раскрытии сразу и в диаметре, и в длину, вместо того чтобы укорачиваться. Умные повязки, у которых при набухании раскрываются поры и высвобождается лекарство. Фильтры с регулируемой ячейкой. Ауксетические волокна для композитов: при растяжении такое волокно толстеет и не выдёргивается из матрицы. Отдельные образцы спортивной обуви и тканей.

Отрицательное тепловое расширение. Соедините в ячейку два металла с разным коэффициентом расширения так, чтобы при нагреве рычаги поворачивались внутрь, — и конструкция при нагревании будет сжиматься. Ни одно вещество этого не умеет в нужной степени; ячейка умеет.

Акустические метаматериалы. Тонкая пластина с решёткой мелких резонаторов не пропускает звук на частоте, для которой её толщина ничтожно мала. Обычная звукоизоляция требует массы; здесь работает настройка ячеек в резонанс.