Эти материалы демонстрируют свойство расширяться при растяжении. Такие структуры, известные как ауксетики, встречаются достаточно часто, однако остаются малоизученными и не до конца понятыми. Они представляют интерес для разработки инновационных защитных конструкций и медицинских приборов. Подробности ― в беседе с Дмитрием Сергеевичем Лисовенко.
Дмитрий Сергеевич Лисовенко возглавляет лабораторию новых материалов и технологий в Институте проблем механики имени А.Ю. Ишлинского РАН, он также является членом-корреспондентом Российской академии наук.
― В чем уникальность ауксетиков?
― Данные материалы обладают уникальными характеристиками: при растяжении они, в отличие от традиционных материалов, увеличиваются в поперечном размере. Ярким примером может служить детская игрушка-трансформер, которая в сжатом виде выглядит как небольшой шарик, а при растяжении значительно расширяется.
Ауксетики обладают и другими отличительными особенностями. В частности, они демонстрируют повышенную устойчивость к проникающим воздействиям по сравнению с общеизвестными материалами. При воздействии давления на обычный материал он деформируется в месте контакта, формируя углубление или даже пробой. Ауксетик же ведет себя иначе: материал концентрируется вокруг точки давления, что существенно усложняет проникновение.
Третья характеристика заключается в специфической реакции на изгиб. При создании пластины и воздействии на нее нагрузки, вызывающей изгиб, ауксетик деформируется иным образом, чем обычные материалы. Таким образом, эти материалы обладают тремя основными свойствами, однако, по моему мнению, два из них – расширение в поперечном направлении при растяжении и повышенная устойчивость к проникновению посторонних объектов – являются наиболее важными и привлекают наибольший интерес ученых.
― Верно ли я понимаю, что ауксетики — это конкретные структуры? Или же некоторые вещества обладают ауксетическими свойствами в своей первоначальной форме?
― Может сложиться впечатление, что ауксетики – открытие недавнее, относящееся к нескольким последним десятилетиям. Однако первые сведения о материалах, обладающих такими характеристиками, появились приблизительно столетие назад. В фундаментальной работе, посвященной механике деформируемых твердых тел, английского математика Огастеса Лава, можно найти упоминание о пирите – веществе с отрицательным коэффициентом Пуассона. Экспериментальное подтверждение существования материалов с отрицательным коэффициентом Пуассона было получено и ранее.
Коэффициент Пуассона, характеризующий уникальные свойства ауксетиков, представляет собой отношение поперечной деформации к деформации в продольном направлении. Для ауксетиков этот коэффициент имеет отрицательное значение. Важные теоретические исследования в данной области были проведены в Советском Союзе, однако масштабных экспериментов в то время не осуществлялось. Научные статьи публиковались примерно раз в десятилетие и первоначально были посвящены изучению кристаллических веществ. В этих работах, в частности, демонстрировалось, как коэффициент Пуассона способен со временем меняться с отрицательного на положительное значение. Другие исследования были направлены на изучение фазовых переходов в кристаллах. К примеру, под воздействием температурного фактора кубическая кристаллическая структура могла трансформироваться в параллелепипед, и в процессе этого изменения при определенных температурах фиксировался отрицательный коэффициент Пуассона, что свидетельствует об ауксетичности.
В 1987 году американский исследователь Родерик Лейкс впервые синтезировал полимерные пены, обладающие ауксетическими характеристиками. Впоследствии были созданы и металлические ауксетические пены. С этого момента началось целенаправленное изучение и разработка подобных материалов.
Интересно, что незадолго до этого, в 1985 году, произошел случай, перекликающийся с историей создания радио Гульельмо Маркони и А.С. Попова. Две научные команды – одна в западных странах, а другая в России – почти одновременно представили результаты исследований, демонстрирующие, что структура, состоящая из вогнутых шестиугольников, обладает ауксетическими характеристиками. Это означает, что при растяжении подобный образец увеличивается в поперечном размере. Данное открытие послужило началом развития новой области – разработки ауксетических конструкций.
Статья, выполненная в советское время, была напечатана в журнале «Прикладная математика и механика». На мой взгляд, она отличается более высоким качеством и глубиной по сравнению с зарубежными аналогами. При этом западные работы, несомненно, также затрагивали важные аспекты – в частности, автор исследования рассматривал, при каких обстоятельствах коэффициент Пуассона способен достигать значения минус единицу, что является теоретическим ограничением для изотропных материалов.
В 1991 году была опубликована работа, в которой показано, как можно создавать ауксетические композиты. Эти материалы изготавливаются путем усиления обычного материала волокнами, расположенными под конкретными углами.
Сегодня класс ауксетических материалов весьма разнообразен и включает в себя кристаллы, композиты и специализированные конструкции. Согласно имеющимся данным, приблизительно четверть всех известных материалов, представленных в периодической таблице Менделеева, обладают ауксетическими свойствами. Этот факт кажется поразительным, однако стоит учитывать, что все эти материалы должны быть безупречными монокристаллами. К ауксетикам относятся, в частности, такие известные элементы, как литий, натрий, железо, никель, золото и платина.
― Это означает, что они демонстрируют ауксетические свойства в естественном состоянии, прежде чем из них будет создана искусственная структура?
― Да, при исследовании образца, не содержащего дефектов, и его растяжении в заданных условиях, наблюдаются определенные свойства. Следует подчеркнуть важный аспект: ауксетичность определяется направлением приложенного усилия. Так, растяжение кристаллически-ориентированного материала с объемноцентрированной кубической структурой вдоль граней куба не приведет к проявлению ауксетичности, однако, приложение силы по диагонали вызовет расширение в поперечном направлении.
Что касается распространенности, то, как я уже отмечал, примерно четверть элементов, представленных в периодической таблице, могут проявлять ауксетические свойства. Также имеется известный справочник, содержащий экспериментальные данные об упругих константах для двух тысяч материалов. Проведенный анализ демонстрирует, что примерно 450 из них, что составляет приблизительно четверть, характеризуются ауксетическим поведением.
― В чем причина возросшего внимания к исследованиям ауксетиков в настоящее время? Так, в докладе РАН, посвященном значимым достижениям российских ученых за 2024 год, упоминаются конкретные разработки в этой сфере…
― Развитие этой области науки остается актуальной задачей, поскольку многие вопросы, касающиеся как базовых механизмов возникновения ауксетических свойств, так и их практического применения, остаются нерешенными и требуют дальнейшего изучения. В плане перспективных направлений можно выделить несколько ключевых. В первую очередь, это продолжение работы с кристаллическими структурами, включая использование компьютерного моделирования. В качестве примера стоит отметить углеродные материалы, такие как фуллериты – кристаллы, в узлах решетки которых вместо атомов расположены молекулы фуллерена, имеющие сферическую форму. Они также обладают ауксетичностью.
Во-вторых, речь идет о создании искусственных структур, известных как метаматериалы, свойства которых – физические или механические – могут быть заданы изначально. Синтез новых кристаллических материалов представляет собой сложную задачу, однако разработка конструкций из уже существующих материалов значительно проще, особенно в связи с распространением 3D-технологии печати, обеспечивающей простоту создания и тестирования сложных пластиковых изделий.
Это открывает возможности для создания материалов с уникальной геометрией. К примеру, можно наделить структуры свойством хиральности – качеством, характеризующим объекты или молекулы, не имеющие зеркальной симметрии, подобно правой и левой руке. Под воздействием сжимающих сил такая конструкция будет дополнительно скручиваться и, как следствие, иным образом распределять энергию.
Метаматериалы привлекательны именно своей способностью к созданию конструкций с заранее определенными механическими характеристиками, ориентированными на решение конкретных задач. Их уникальное свойство, позволяющее противостоять деформации, открывает возможности для разработки матрасов нового типа. В отличие от обычных матрасов, которые со временем деформируются даже при регулярном переворачивании, изделия с наполнителем из пены, обладающей ауксетическими свойствами, прослужат значительно дольше. Это особенно важно для людей, вынужденных длительное время находиться в постели. В настоящий момент это, скорее, теоретическая концепция, требующая дальнейшего развития и исследований.
Еще одно многообещающее направление — разработка защитных конструкций. В настоящее время преждевременно говорить о создании брони, способной остановить пули, поскольку ауксетический эффект обычно проявляется в достаточно податливых материалах. Тем не менее, для защиты от осколков или камней, например для защиты аккумуляторной батареи в автомобиле, применение таких материалов вполне возможно. Вполне вероятно, что в будущем будут разработаны и металлические ауксетические материалы для бронирования, но на сегодняшний день традиционные решения остаются более действенными. При этом следует учитывать, что ситуация в этой сфере может стремительно меняться.
― Неужели на улице уже можно встретить предметы, которые, пусть и незаметно, используют ауксетические свойства?
― Несмотря на то, что технологическое применение этих материалов пока ограничено, предпринимаются поиски способов их использования в различных сферах. В качестве примера можно привести образцы тканей, применяемых для покрытия спортивной обуви. Пока не ясно, какие преимущества это дает, но такие кроссовки уже производятся.
Зачастую развитие науки и искусства идет рука об руку. Недавно в Англии дизайнер, черпая вдохновение в особенностях ауксетиков, разработал одежду, внешне напоминающую наряды из фантастических фильмов. Главное преимущество такой одежды – возможность приобретения костюма, который будет расти вместе с ребенком. Я не располагаю информацией о том, была ли эта идея реализована в производстве, однако отдельные проекты и предложения уже существуют.
― В докладе РАН, посвященном основным успехам российских ученых, ауксетики также упоминаются как перспективные материалы для применения в медицине…
― Да, подобные разработки существуют. Одним из многообещающих векторов развития является создание стентов. В нашей лаборатории, к примеру, был создан прототип, но для его совершенствования необходимы дополнительные исследования, в частности, на биологических системах.
Чем привлекают ауксетические стенты? Проектирование любого стента предполагает его раскрытие в конкретном участке сосуда или желчного протока, где зафиксировано сужение. Ауксетические стенты обеспечивают более существенное увеличение просвета сосуда. Вместе с тем, возникает иная проблема, которую пока не удалось решить: при расширении такой стент также незначительно удлиняется. Это может представлять опасность, поскольку удлинение стента, установленного в области сосуда с атеросклеротической бляшкой, способно привести к ее повреждению. Поэтому требуется разработка конструкций стентов, которые при раскрытии удлинялись бы в минимальной степени.
Также ведутся разработки бандажных накладок с использованием ауксетиков, однако пока не ясно, были ли они успешно внедрены в практику.
В научных публикациях можно встретить и весьма смелые предложения, в частности, замену межпозвоночных дисков на ауксетические материалы. Пока что я не склонен поддерживать подобные идеи. Если природа создала орган с положительным коэффициентом Пуассона, то какая необходимость в его замене на материал с отрицательным? Вероятно, здесь присутствует некий выигрыш, однако я в этом сомневаюсь.
― Направление цифрового материаловедения в последнее время демонстрирует бурный рост. Способны ли цифровые технологии содействовать прогрессу в создании ауксетиков?
― Проводимые в этой сфере исследования несомненно принесут пользу ученым, но для этого требуется дальнейший сбор и анализ информации. Как я ранее отмечал, имеется электронный справочник, в котором собраны упругие константы для двух тысяч различных материалов. Благодаря ему, мы имеем возможность изучать особые характеристики материалов, используя большие объемы данных.
Несмотря на это, остаются без ответа ключевые вопросы. К примеру, почему ауксетичность наблюдается в кристаллических структурах? В сконструированных системах это явление можно объяснить с помощью геометрии, однако для кристаллов необходимы более детальные разъяснения.
Заметно, что здесь существуют существенные сходства. В кристаллах ауксетичность нередко обусловлена некрепкими химическими связями. Этот принцип находит отражение и в проектировании: если конструкция обладает низкой жесткостью, то ауксетические свойства будут заметны, в то время как в жесткой конструкции они не проявятся. Следовательно, закономерности, наблюдаемые в кристаллических материалах, применимы и к инженерным конструкциям.
Благодаря накоплению данных цифровые технологии позволят более эффективно выявлять подобные закономерности.
― Какие научные дисциплины объединяют усилия для изучения ауксетических материалов?
― Наше сотрудничество в основном охватывает организации, проводящие механические испытания. Нас интересует изучение поведения материалов под воздействием различных нагрузок, таких как растяжение, проникание и индентирование. В дальнейшем мы планируем изучать и акустические характеристики подобных конструкций и ищем партнеров для совместных исследований.
В нашей лаборатории осуществляются как теоретические исследования, в частности, с применением компьютерных технологий и метода конечных элементов. Конструкция подвергается декомпозиции на отдельные элементы, после чего проводится оценка их деформаций.
Вместе с коллегами из лаборатории углеродных материалов Института проблем сверхпластичности металлов РАН, расположенного в Уфе, мы используем метод молекулярной динамики для разработки ауксетиков на основе углеродных наноматериалов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что эти материалы демонстрируют ауксетические характеристики.
В дополнение к теоретическим изысканиям, мы осуществляем тестирование физических прототипов. Работа с кристаллическими материалами сопряжена с определенными трудностями, поскольку для их получения необходимо сотрудничество с организациями, обладающими соответствующими возможностями, что не всегда удается обеспечить. Исследования кристаллических ауксетиков мы ведем в совместной работе с учеными из Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, расположенного в Черноголовке . Мы приобрели 3D-принтер, что позволяет нам самостоятельно разрабатывать и создавать конструкции для проведения экспериментов. Если ранее мы использовали геометрические формы, зафиксированные в научной литературе, то в настоящее время мы проектируем новые формы для решения интересных задач.
Интервью стало возможным благодаря поддержке Российской академии наук