Auxetisches Material

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Auxetisches Netz: Eine vertikale Streckung hat eine horizontale Ausdehnung zur Folge.

Auxetische Materialien (altgriechisch αὐξητός auxetos, deutsch ‚dehnbar‘) haben die ungewöhnliche Eigenschaft, sich bei einer Streckung quer zur Streckrichtung auszudehnen. Sie sind daher charakterisiert durch eine negative Poissonzahl (Querkontraktionszahl):

Beschreibung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zu den auxetischen Materialien gehören unter anderem hochverstrecktes Teflon und die Haut von Kuhzitzen. Auxetisches Verhalten ist seit Anfang des 20. Jahrhunderts bekannt.

Eines der ersten künstlich hergestellten auxetischen Materialien, die RFS-Struktur (Rauten-Falt-Struktur)[1], wurde 1978 von dem Berliner Forscher K. Pietsch erfunden. Er verwendete zwar nicht den Begriff Auxetik, beschreibt aber erstmals die zu Grunde liegende Hebelmechanik sowie deren nicht linearen mechanische Reaktion. In späteren Veröffentlichungen relativiert er den Begriff Auxetik mit der Feststellung dass es kein Vollmaterial aus einem Grundstoff mit einer negativen Poissonzahl geben kann, da ein Auxetisches Material mindestens aus zwei unterschiedliche Grundstoffen besteht und dessen auxetischer Effekt immer auf ein hebelmechanische Reaktion zurückzuführen ist. Mit der Erkenntnis wird bewiesen das die Berechnung der Querkontraktion nach Siméon Denis Poisson in der Festigkeitslehre bei der Berechnung von Auxetischen Materialien nicht ohne weiteres angewendet werden kann, da sich diese nur auf Vollmaterialien die aus einem Grundstoff bestehen anwenden lässt.

Begründet wird das mit der Tatsache das alle Auxetischen Materialien aus Grundstoffen bestehen die eine neutrale oder Positive Poissonzahl haben.

Mit dieser für die Festigkeitslehre relevanten Erkenntnis ist die Negative Poissonzahl nur eine theoretische Fantasie. Wissenschaftlich gesehen sind Auxetische Materialien immer Poröse oder sind Composite Materialien die eine Volumenveränderung zulassen und deren Mechanische Reaktionen immer eine Kraft/Weg oder Weg/Kraft Umkehrung aufweisen. So lässt sich zwar eine Negative Poissonzahl berechnen diese besitzt aber für die Festigkeitslehre keine aussagekräftige Relevanz.[2] Das Prinzip der auxetischen Materialien wurde erstmals 1987 im Wissenschaftsmagazin Science näher beschrieben.[3]

Die Eigenschaft kann auf Molekül- oder Makroebene entstehen. Zudem ist auxetisches Verhalten bei verschiedenen Mineralschnitten zu sehen. Dazu gehören Molybdän(IV)-sulfid, Graphit, Labradorit und Augit. Ebenso kann man auxetisches Verhalten bei entsprechend geschnittenen Cristobalitdünnschliffen, Zink und Polypropylen zeigen.[4]

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Normale Materialien werden, wenn sie auseinandergezogen werden, in der Mitte dünner, da sie sich mit der Ziehrichtung weiten. Auxetische Materialien dagegen werden in der Mitte dicker, wenn an ihnen gezogen wird, sie weiten sich quer zur Zugrichtung. Das Bild oben veranschaulicht das. Der wabenartige Aufbau mit vielen Zwischenräumen wird so angeordnet, dass bei einer mechanischen Reaktion das Material in die Breite statt in die Länge geht.

Dreidimensione auxetische Materialien weiten sich in alle Richtungen quer zur Zugrichtung. Dabei handelt es sich meist um Strukturen, die dem Material die auxetischen Eigenschaften verleihen, nicht um den dafür verwendeten Werkstoff. Es gibt Materialien, die von Natur aus solche Strukturen aufweisen, und Materialien, die künstlich in eine auxetische Struktur gebracht werden, wie die Rauten-Falt-Struktur (RFS), die unabhängig vom Material aus einer Fläche erzeugt wird.

Verwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Durch die besondere Mikrostruktur können künstliche Lungen, die aus auxetischen Materialien bestehen, deutlich besser Sauerstoff aufnehmen und Kohlendioxid abgeben. Auch in der Pharmazie sind Anwendungen denkbar: Ist ein mit Medikamenten gefülltes Mini-Depot in ein Pflaster eingebaut, wird automatisch bei einer Schwellung der Wunde das Medikament freigesetzt, da der erhöhte Druck dafür sorgt, dass sich die Poren aus auxetischem Material öffnen.

In der Sicherheitstechnik könnten schusssichere Westen aus auxetischen Materialien bestehen. Herkömmliche Sicherheitswesten bestehen aus Faserstoffen, die die Kraft des Projektils auf eine große Fläche verteilen und dadurch die Durchschlagskraft verringern. Westen aus auxetischen Materialien würden sich beim Aufprall schlagartig verhärten und könnten so das Geschoss abprallen lassen, ohne dass die Person, die sie trägt, viel davon spürt.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. RFS-Struktur (Rauten-Falt-Struktur)
  2. Maria Burke: A stretch of the imagination. In: New Scientist. Band 154, Nr. 2085, 1997, S. 36–39 (HTML).
  3. Roderic Lakes: Foam Structures with a Negative Poisson’s Ratio. In: Science. Band 235, Nr. 4792, 1987, S. 1038–1040, doi:10.1126/science.235.4792.1038.
  4. S. P Tokmakova: Stereographic projections of Poisson’s ratio in auxetic crystals. In: physica status solidi (b). Band 242, Nr. 3, 2005, S. 721–729, doi:10.1002/pssb.200460389.