Пермские ученые изучили температурные изменения свойств необычных материалов — ауксетиков
Свойства ауксетиков — материалов, имеющих отрицательные значения коэффициента Пуассона — могут меняться не только при механическом воздействии, но и при изменении температуры. Ученые Пермского Политеха выяснили, как такие материалы реагируют на изменение температуры. Это поможет проектировать 3D-изделия с подходящими характеристиками для разных режимов эксплуатации.
Во многих отраслях промышленности, в том числе автомобильной, аэрокосмической, строительной, биомедицинской все чаще применяют ауксетики. Благодаря своей уникальной структуре они нетипично реагируют на внешние воздействия. Например, если надавить на пластилин, он расплющивается, то есть растягивается горизонтально, а в случае с ауксетиками наоборот: при вертикальном нагружении они сжимаются, то есть становятся тоньше, сужаясь по сторонам.
Такое поведение делает их очень интересными и полезными материалами для решения многих актуальных проблем, в частности, для создания адаптивных протезов, способных «расти» и изменяться вместе с пациентом, проектирования стентов коронарных сосудов, ортопедических имплантатов, которые могут адаптироваться под индивидуальные особенности пациентов.
Особые свойства ауксетиков достигаются благодаря тому, что они состоят из специально спроектированных ячеек, которые образуют решетчатую структуру, похожую на пчелиные соты. Для каждого конкретного применения подбирают индивидуальную комбинацию такой решетки, что делает эти материалы универсальными. При расширении или сжатии структуры ячейки перемещаются, тем самым изменяя размер всей конструкции.
Ячейки ауксетиков могут состоять из чего угодно — металла, полимера, пластика. Однако у каждого из этих материалов есть свой коэффициент термического расширения – способность увеличиваться или уменьшаться в результате нагрева или охлаждения. Чтобы успешно применять такие конструкции в производстве, нужна подробная информация о том, как этот коэффициент влияет на изменение всей ячеистой структуры.
Ученые Пермского Политеха выявили зависимость поведения ауксетиков от коэффициента термического расширения. Для отслеживания свойств такого материала создали компьютерную модель его ячеек, объединенных в цилиндр, и повернутых перпендикулярно оси. Такая форма размещения наименее изучена на сегодняшний день и даст расширенное представление о поведении структуры в нетипичном положении. В программу вбивали разные показатели коэффициента и смотрели, как менялись свойства ауксетиков при повышенной температуре и двух вариантах механической нагрузки: при давлении изнутри и снаружи.
– В результате исследования мы изучили, как ауксетики ведут себя под нагрузкой в зависимости от температуры. Мы выяснили, что ауксетичные цилиндры, изготовленные из материалов с более низким коэффициентом термического расширения, при воздействии внешнего давления и температуры будут сжиматься, а с более высоким – расширяться. Благодаря этому мы видим, как одна и та же структура принципиально меняет свое поведение – от сжатия к расширению, в зависимости от материалов из которых она изготовлена, – комментирует Анастасия Тарасова, аспирант, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
– Результаты исследований способствуют созданию умных материалов, которые могут подстраиваться к внешним условиям, улучшая эффективность и долговечность изделий. Ауксетики могут быть использованы для компенсации температурных деформаций и снижения термических напряжений. Подобная адаптивность к температурным воздействиям востребована, например, в аэрокосмических, строительных и медицинских приложениях, – комментирует Михаил Ташкинов, доцент кафедры «Динамика и прочность машин», заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
Такие структуры помогают уменьшить изменения формы и размера материалов при сильных колебаниях температуры. Это особенно важно, в том числе, и для обеспечения целостности и функциональности космических кораблей, которые подвержены экстремальным перепадам температурам.
Исследование ученых ПНИПУ пополняет базу данных о термомеханическом поведении ауксетичных структур, чтобы использовать их в качестве перспективных материалов для инженерных применений, где нужно контролировать реакцию на разные факторы, особенно в конструкциях, подверженных экстремальным механическим и термическим воздействиям.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика». Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Telegram 
Дзен 
VK Если достаточно развитая цивилизация может отправлять к звездам не колонистов, а крошечные автономные зонды с ИИ, роботами и архивами знаний, то молчание Вселенной становится еще более странным. Возможно, развитые цивилизации не строят космические империи и не окружают звезды мегаструктурами, а расселяются по Галактике тихо — с помощью малозаметных автоматических систем.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Современные люди проводят днем неподвижно столько же времени, сколько и охотники-собиратели. Но делают это сидя, а не на корточках, как их предки. Физиология человека не адаптирована к сидению, а физические возможности цивилизованных людей — к длительному пребыванию на корточках. Теперь исследователи рассчитали часть цены, которую мы платим за проблему длительного сидения.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно