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Von 1985 bis heute: Warum ist die Forschung zu auxetischen Materialien so explosionsartig gewachsen?
Auxetische Materialien sind für ihr einzigartiges negatives Poisson-Verhältnis bekannt, das eine Dehnung in eine Richtung ermöglicht, um eine Ausdehnung in vertikaler Richtung zu bewirken. Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien weisen auxetische Materialien ein umgekehrtes Verhalten auf, was das starke Interesse der Forscher an ihren möglichen Anwendungen geweckt hat. Seit seiner ersten umfassenden Erwähnung im Jahr 1985 ist die Menge an Literatur zu auxetischen Materialien sprunghaft angestiegen, was zu hitzigen Diskussionen und Untersuchungen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft geführt hat.
Die Eigenschaften von Auxetic-Materialien bieten ihnen ein breites Anwendungspotenzial in Schutzausrüstung, medizinischen Geräten und sogar im Bekleidungsdesign.
Der Ursprung und die Entwicklung auxetischer Materialien
Das Wort Auxetic kommt vom griechischen „αὐξητικός“, was „das, was Wachstum fördert“ bedeutet. Der Begriff wurde von Professor Ken Evans von der University of Exeter geprägt. Die 1978 vom Berliner Forscher K. Pietsch erfundene RFS-Struktur gilt als erstes Beispiel eines künstlichen auxetischen Materials. Obwohl der Begriff „Auxetic“ damals noch nicht gebräuchlich war, beschrieb er als Erster den zugrunde liegenden Hebelmechanismus und seine nichtlineare mechanische Reaktion und gilt daher als Erfinder des Auxetic-Netzes.
Im Jahr 1985 veröffentlichte A. G. Kolpakov in seiner Arbeit erstmals Materialien mit negativer Poissonzahl. Im Jahr 1987 stellte die Fachzeitschrift „Science“ dann eine Schaumstruktur vor, die von der Forschungsgruppe von R.S. Lakes an der University of Wisconsin beschrieben wurde, was das Wissen über dieses Material weiter verbreitete. Erst 1991 wurde der Begriff Auxetisch allgemein verwendet.
Eigenschaften und Anwendungen auxetischer Materialien
Auxetische Materialien haben typischerweise eine geringe Dichte, wodurch sich ihre Mikrostruktur unter Belastung wie Scharniere verbiegen kann. Auf Makroebene kann das auxetische Verhalten durch eine unelastische Schnur veranschaulicht werden, die um eine Feder gewickelt ist. Wenn die Enden der Struktur auseinandergezogen werden, richtet sich die unelastische Schnur auf und die Feder dehnt sich und umschlingt sie, wodurch das effektive Volumen der Struktur vergrößert wird.
Die hervorragenden Eigenschaften von Auxetic-Materialien machen sie hervorragend für Produkte wie Schuhe und medizinische Prothesen, und ähnliche Leistungen lassen sich sogar bei organischen Lebensformen finden.
Zum Beispiel weisen bestimmte Kristallmaterialien und Gewebe wie embryonale Stammzellen von Mäusen unter bestimmten Bedingungen auch auxetische Eigenschaften auf. Dies verbindet Auxetic-Materialien nicht nur mit der wissenschaftlichen Forschung, sondern weist auch auf ihr Potenzial für biomedizinische Anwendungen hin.
Beispiele für auxetische Materialien
Es gibt viele praktische Beispiele für auxetische Materialien, wie zum Beispiel:
- Auxetischer Polyurethanschaum
- Embryonale Stammzellen der Maus
- α-kristalliner Stein
- Eine Vielzahl von Kristallmaterialien (wie Lithium, Natrium, Kalium usw.)
- Steine und Mineralien
- Graphen
- Knochengewebe und Sehnen im täglichen Leben
Diese vielfältigen Beispiele auxetischer Materialien demonstrieren ihre breite Anwendbarkeit vom Mikro- bis zum Makrobereich und demonstrieren die Vielfalt und das Potenzial der auxetischen Forschung.
Das schnelle Wachstum der Auxetic-Materialforschung
Daten der Suchmaschine Scopus zufolge verzeichnete die Forschungsliteratur zu auxetischen Materialien in den letzten Jahren einen explosionsartigen Wachstumstrend. Gab es 1991 nur eine relevante Veröffentlichung, stieg diese Zahl bis 2016 auf 165, was das wachsende Interesse der Forscher an auxetischen Materialien zeigt.
Obwohl auxetische Materialien ein großes Anwendungspotenzial aufweisen, steht ihre breite Anwendung in mehreren Bereichen immer noch vor Herausforderungen. Daher ist weitere Forschung von entscheidender Bedeutung, um auxetische Materialien zu perfektionieren und ihre Anwendungen zu fördern.
Wie viele Bereiche können auxetische Materialien beeinflussen und die Zukunft der Materialwissenschaft verändern?
