Los materiales auxiliares tienen casos de uso generalizados. Los algoritmos avanzados ahora hacen que su creación sea más fácil

Los materiales auxéticos se contraen y expanden transversalmente al someterse a compresión y tensión axial, respectivamente. Su respuesta es contraria a la de los materiales elásticos comunes y, por lo tanto, presentan un coeficiente de Poisson negativo. Este coeficiente mide la deformación en dirección perpendicular a la fuerza aplicada. A diferencia de los materiales elásticos habituales, los materiales auxéticos, al comprimirse, se adelgazan en dirección perpendicular a la fuerza aplicada. 

Estos materiales se han vuelto populares en las últimas décadas por sus propiedades útiles, como buena tenacidad a la fractura, alta resistencia a indentaciones/impactos, módulo de corte, buena absorción de energía, deformación sinclástica y alta deformación transversal. También poseen propiedades de alta resistencia a las abolladuras y una isotropía superficial superior. 

Todas estas propiedades han enriquecido los materiales auxéticos, asegurando que estos materiales tengan una usabilidad generalizada. En los siguientes segmentos, analizaremos algunos de estos casos de uso en los campos de las ciencias médicas y la atención sanitaria, la ingeniería de vehículos, la ingeniería de protección, la indumentaria, etc. 

Materiales auxéticos en salud y ciencias médicas.

Polietileno auxético de alta densidad. se utiliza desarrollar discos intervertebrales artificiales para cirugía de columna. Estos discos pueden doblarse y torcerse y potentially Proporcionan un rendimiento biomecánico mejorado en comparación con las soluciones tradicionales de reemplazo de discos. Sus propiedades auxéticas previenen protuberancias que podrían dañar las terminaciones nerviosas circundantes, permitiendo que el disco para imitar perfectamente el comportamiento de un disco intervertebral lumbar natural.

Un tornillo pedicular auxético También se propuso para mejorar la interacción biomecánica entre el hueso circundante y el tornillo, principalmente para la columna. 

La investigación también ayudó a los científicos a desarrollar un stent coronario de geometría auxética basado en acero inoxidable 316L de grado médico. Este stent puede expandirse tanto radial como longitudinalmente y optimizarse para un diámetro y longitud de vaso específicos, creando un volumen lumínico determinado, minimizando así el impacto negativo del stent en la pared vascular.

Los materiales auxéticos también han demostrado ser útiles en otras aplicaciones médicas, como vástagos de implantes de cadera, fijación de huesos largos, parches cardíacos, hisopos nasofaríngeos, plantillas ortopédicas y más. También son valiosos en ingeniería de tejidos y en la fabricación de estructuras y membranas para dispositivos médicos in vitro.  

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Materiales auxéticos en ingeniería de vehículos

Investigaciones recientes han demostrado que los materiales y estructuras auxéticos pueden proporcionar un método de diseño superior que mejora las características de absorción de energía de los tradicionales parachoques de tubo de paredes delgadas y cajas de absorción de energía.

Estas estructuras tendrían mayor rigidez, ventaja en la absorción de energía en caso de colisión a velocidad media y mayor tiempo de amortiguación para la absorción de energía de la colisión y el proceso de aceleración-desaceleración de los ocupantes. También obtienen puntuaciones altas en términos de capacidad de absorción de energía, eficiencia de absorción de energía y otros índices de rendimiento.

Uno de los investigadores en este espacio sugirió específicamente un parachoques que comprendía una estructura de viga sándwich auxética y una combinación de bloques de absorción de energía optimizada por un algoritmo multiobjetivo, que mejoraba la resistencia del vehículo a un choque frontal. 

Materiales Auxéticos en Ingeniería de Protección

El uso de estructuras auxéticas en ingeniería de protección surgió de su alta absorción de energía, resistencia a la compresión por indentación mejorada y propiedades mejoradas de resistencia al corte.

La investigación ayudó a encontrar estructuras de paneles sándwich alveolares auxéticos que podrían proteger la estructura de hormigón armado de impactos severos y cargas explosivas de proximidad.

Además, los paneles sándwich cilíndricos con efecto auxético tenían propiedades de resistencia a explosiones más fuertes y podían usarse para diseñar de manera eficiente carcasas robustas de aviones, naves espaciales, cascos de submarinos, tanques de combustible, refugios para minas de carbón y otras estructuras curvas. 

Materiales auxéticos en ingeniería de prendas de vestir.

La propiedad de expansión transversal de los materiales auxéticos bajo carga ayuda a formar curvaturas dobles durante la flexión. Esta propiedad permite que la ropa fabricada con estos materiales se adapte a los contornos cambiantes del cuerpo humano durante el movimiento. Las investigaciones muestran que la ropa de maternidad de tejido auxético exhibe una menor concentración de estrés en comparación con sus contrapartes tradicionales. También es cómodo de llevar. 

Esta amplia gama de posibilidades de aplicación ha dado lugar a una creciente demanda de materiales auxéticos. Para satisfacer esta creciente demanda, los investigadores han desarrollado una receta de tres pasos para diseñar materiales auxéticos bajo demanda. 

Un procedimiento de tres pasos para crear materiales auxiliares bajo demanda

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Chicago han realizado esfuerzos concertados para acelerar la introducción en el mercado de productos auxéticos. 

Más precisamente, estos investigadores han desarrollado una herramienta algorítmica que facilita el diseño tridimensional preciso de auxéticos. Según el coautor del estudio, Edwin Chan, ingeniero de investigación de materiales del NIST:

"De hecho, podemos optimizar el material para que tenga las propiedades mecánicas y el comportamiento particulares que desee".

Los investigadores han presentado al mundo. Con un marco unificado para describir la auxética perfecta bidimensional. Esta presentación es el resultado de una mayor comprensión de que comprender y controlar el límite auxético perfecto podría permitirnos diseñar racionalmente auxéticas realistas con una estructura geométrica a medida, para la cual el coeficiente de Poisson permanece negativo.

Mientras explicaban la mayor importancia de su estudio, los investigadores dijeron lo siguiente:

"Nuestra teoría no sólo unifica una gran clase de auxéticos existentes, que abarcan sistemas de unidades rígidas auxéticas anteriores, sino que también permite crear una gran variedad de ellos, con geometrías nuevas y diversas, incluido el algo esquivo material auxético isotrópico".

Dado que los investigadores estaban interesados ​​en comprender el comportamiento de los auxéticos perfectos, utilizaron el modelo bidimensional mínimo para unidades giratorias. Las unidades comprendían una serie de polígonos conectados por resortes de longitud natural cero. Cada unidad rígida tenía tres grados de libertad: dos traslacionales y uno rotacional. Este modelo ayudó a determinar la aparición del modo flexible auxético e introdujo elasticidad en los materiales para que También se podrían estudiar escenarios no ideales.. 

El resultado de la investigación científica fue una receta que ayudaría a crear auxéticos perfectos. Requeriría tres ingredientes:

• Una red bipartita permitiría a las unidades girar en sentido contrario entre sí.
• Inicialmente y en reposo, cada par de vectores de posición de polígonos vecinos y el vértice entre ellos deben ser colineales.
• La relación entre la distancia de un polígono a uno de sus vértices y la distancia de su vecino al mismo vértice debe ser constante en la red.

Los investigadores destacan que la singularidad de su teoría radica en el hecho de que no está restringida a redes y puede aplicarse directamente a redes desordenadas. Esta permite la construcción de los primeros materiales auxéticos isotrópicos perfectos. Los investigadores también son útiles porque su teoría podría ampliarse a materiales poliédricos 3D.

Si bien esta investigación supone un gran avance, ya hace bastante tiempo que se trabaja con materiales auxéticos. En los siguientes segmentos, analizaremos empresas que han realizado trabajos innovadores en ellos.

#1. Nike

Una de las marcas líderes que ha realizado un trabajo sofisticado en este espacio de estructuras auxéticas es Nike. Patente de Nike n.º US9402439B2 Se trata de estructuras auxéticas que facilitan la construcción de suelas con estructuras auxéticas. 

Normalmente, el calzado consta de al menos dos componentes principales:

• Una parte superior que proporciona el espacio para recibir el pie del usuario.
• Una suela asegurada a la parte superior que funciona como contacto principal con el suelo o la superficie de juego.

La suela puede incluir tres subsegmentos: una suela interior, una entresuela y una suela exterior. En el calzado Nike patentado, al menos una capa de la suela se hace de estructura auxética. Él se refiere a como la capa auxética. 

Correr, girar, saltar o acelerar con estos zapatos somete la capa auxética a una mayor tensión longitudinal o lateral, aumentando su longitud y anchura. Por tanto, proporciona una mejor tracción y absorbe algunos de los impactos de la superficie de juego.

Nike cree que estos zapatos pueden resultar beneficiosos para una variedad de deportes y actividades recreativas, incluido el tenis y otros deportes de raqueta, caminar, trotar, correr, hacer caminatas, balonmano, entrenar, correr o caminar en una cinta y deportes de equipo como el baloncesto. voleibol, lacrosse, hockey sobre césped y fútbol.

Para todo el año fiscal 2023, Nike reportó ingresos de 51.2 mil millones de dólares, un aumento del 10 por ciento en comparación con el año anterior y un aumento del 16 por ciento en términos de moneda neutral. 

#2. Airbus

Airbus Defence and Space recibió una patente sobre una estructura auxética deformable y un proceso de fabricación. La invención tiene como objetivo proporcionar una protección ligera. contra impactos de alta energía en fuselajes y sistemas de aeronaves mediante un único panel sándwich integrado que aprovecha el comportamiento auxético bidimensional en las dos direcciones que forman la superficie del panel. 

Airbus sugiere que dicha protección sería muy beneficiosa en configuraciones de aeronaves impulsadas por motores traseros altamente integradas, incluidas las arquitecturas de rotor abierto o de ingestión de capa límite. En estas configuraciones, se requieren disposiciones de protección (blindajes) debido a preocupaciones de seguridad contra impactos de alta energía en el fuselaje debido a la liberación de las palas de la hélice (PBR) y desechos del motor (falla no contenida de la rotación del motor, fragmento pequeño y tercer disco).

La estructura presenta una disposición auxética que consta de una pluralidad de células auxéticas tridimensionales contiguas interconectadas. Este diseño asegura que independientemente de si el elemento de superficie tiene una superficie plana, una superficie curva o una composición de diferentes superficies planas, la estructura resultante logrará un comportamiento auxético en cada uno de estos planos. Además, exhibirá un comportamiento auxético en más de una dimensión perpendicular a la dirección principal del impacto.

En 2023, Airbus registró ingresos de más de 65 mil millones de euros, un aumento significativo con respecto a los 58.8 mil millones de euros ganados en 2022. 

Creación de materiales auxiliares: cómo se ve el futuro

La investigación que abrió nuestra discusión podría lograr muchos avances. Podría proporcionar un modelo fácil de seguir para crear, diseñar y caracterizar unidades auxiliares giratorias. Los modelos que validaron la teoría fueron potentes para una simulación sencilla para probar las propiedades de los materiales ignorando las fuerzas de flexión. Sin embargo, los modelos permitían adaptarse a la flexión si era necesario. El trabajo condujo a establecer las reglas básicas para crear auxéticos isotrópicos perfectos nunca antes vistos. Lo único que necesitaba era más investigación sobre análisis dinámico y vibratorio.

Si bien la investigación y la exploración son un proceso interminable en ciencia y tecnología, tiene que haber más investigaciones sobre la viabilidad de los materiales auxéticos como refuerzo, especialmente para aplicaciones de carga. Se requieren deformaciones excesivas para iniciar las ventajas derivadas de la auxeticidad. Estas deformaciones podrían exceder los límites de servicio especificados para elementos estructurales bajo carga estática. En este sentido, los investigadores han señalado la necesidad de diseños a medida que satisfagan los requisitos tanto de resistencia como de rigidez. 

En el campo de las aplicaciones biomédicas surge la necesidad de auxética 3D, que sólo puede lograrse mediante procedimientos de fabricación aditiva. Estos procedimientos deben mejorarse para garantizar el rendimiento a largo plazo de los dispositivos médicos. El proceso avanzado basado en algoritmos para crear auxéticos podría ser útil en estos casos, ya que la mayoría de las tecnologías aditivas conducen a resultados intrínsecamente anisotrópicos debido al proceso capa por capa, lo que puede afectar el rendimiento mecánico de las soluciones. 

Si bien estos desafíos persisten, los investigadores tienen la esperanza de que algunas de las tendencias futuras, si se amplían con éxito, podrían conducir a una adopción más entusiasta de los auxéticos. Estas tendencias incluyen la creación de sinergias entre la impresión 4D y las geometrías auxéticas, la fabricación de materiales y mecanismos con memoria de forma, etc.

Los auxéticos también pueden encontrar un mayor uso en materiales biohíbridos, donde un andamio auxético colonizado por células puede conducir a actuadores más autónomos. Según los investigadores, estos materiales son capaces de superar en rendimiento a los materiales y estructuras “inteligentes”, activos o multifuncionales disponibles actualmente.

Uno de los principales ejemplos del uso de biohíbridos es el de los microrobots que vienen con chasis auxéticos y mecanismos operados por células vivas. Estas soluciones, especialmente los cardiomiocitos o células musculoesqueléticas activadas por estímulos eléctricos, podrán utilizarse en el futuro como actuadores quirúrgicos.

En conjunto, la auxética nos presenta un campo minado de oportunidades. Todo lo que necesita es más investigación y recursos para ampliar y proporcionar soluciones viables que duren mucho tiempo.

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