Auxetisches Material

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Auxetisches Netz im Kasten unten links: Eine vertikale Streckung hat eine horizontale Ausdehnung zur Folge (und umgekehrt). Hier ist nur das Prinzip dargestellt. Eigentlich sollte die gestreckte Quadrat-Struktur rechts mehr Fläche beanspruchen, als die noch gefalteten Rauten links. Bei der Wabenstruktur oben ist es umgekehrt.

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 und gilt daher als Erfinder des in der Grafik oben dargestellten Auxetischen Netzes. 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 eine hebelmechanische Reaktion zurückzuführen ist. Darum kann auch die Berechnung der Querkontraktion nach Siméon Denis Poisson in der Festigkeitslehre nicht ohne weiteres auf auxetische Materialien angewendet werden. Diese ist nur für Vollmaterialien definiert, die aus einem einzelnen Grundstoff bestehen.

Auxetischen Materialien bestehen in der Regel aus Grundstoffen, die selber eine neutrale oder Positive Poissonzahl haben.

Die negative Poissonzahl hat nur begrenzte Anwendungsfälle, da sie in der Regel nur bei porösen oder Verbundmaterialien anzutreffen ist, die eine Volumenveränderung zulassen und deren mechanische Reaktionen eine Kraft/Weg Umkehrung aufweisen. Eine negative Poissonzahl läßt sich zwar berechnen, sie besitzt aber keine aussagekräftige Relevanz.[2] Das Prinzip der auxetischen Materialien wurde erstmals 1987 im Wissenschaftsmagazin Science näher beschrieben.[3]

Auxetisches Verhalten kann auf Molekül- oder Makroebene entstehen. Es ist bei verschiedenen Mineralschnitten zu beobachten. Dazu gehören Molybdän(IV)-sulfid, Graphit, Labradorit und Augit. Ebenso kann man auxetisches Verhalten bei entsprechend geschnittenen Cristobalit-Dünnschliffen, Zink und Polypropylen zeigen.[4]

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Normale Materialien werden, wenn sie auseinandergezogen werden, in der Mitte dünner, da sie sich in Richtung des Zugs dehnen. Auxetische Materialien dagegen nehmen im Querschnitt zu, wenn an ihnen gezogen wird; sie weiten sich quer zur Zugrichtung. Das Bild oben veranschaulicht das.

Dreidimensionale auxetische Materialien weiten sich in alle Richtungen quer zur Zugrichtung. Dabei handelt es sich meist um Makro-Strukturen, die dem Material die auxetischen Eigenschaften verleihen, nicht eine Eigenschaft auf molekularer Ebene. 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 aus verschiedenen Grundstoffen hergestellt werden kann.

Anwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Auxetische Materialien sind aufgrund ihres Mechanisch bedingten intelligenten Strukturverhalten besonders für Leichtbauanwendungen geeignet.

Ausgehend von der auxetischen Mechanik, welche maßgeblich die mechanischen Strukturparameter wie z. B. Steifigkeit, thermisches und Schwingungsverhalten, Energieabsorptionsfähigkeit oder Zähigkeit prägt und überdurchschnittlich positiv beeinflusst, erreicht man bei gleichem oder leichterem Gewicht Leistungsniveaus, die mit üblichen Bauweisen nicht realisierbar sind.

Darüber hinaus ermöglicht die auxetische Mechanik völlig neuartige Funktionalitäten und Designlösungen für eine Vielzahl innovativer Produkte mit gezielt einstellbaren Funktionseigenschaften. Deshalb sind auxetische Konstruktionsansätze sowohl aus wissenschaftlicher als auch wirtschaftlicher und gestalterischer Sicht von großer Bedeutung.

Künstliche Lungen, die aus auxetischen Materialien bestehen, können mehr Sauerstoff aufnehmen und Kohlendioxid abgeben. Auch in der Pharmazie sind Anwendungen denkbar: Ist ein mit Medikamenten gefülltes Mini-Depot in ein Pflaster eingebaut, würde bei einer Schwellung der Wunde das Medikament freigesetzt, da der sich durch den Druck verringernde Querschnitt den enthaltenen Stoff herausdrücken würde.

Denkbar ist, schusssichere Westen aus auxetischen Materialien herzustellen. 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 dadurch den Impuls auf eine noch größere Fläche verteilen.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. RFS-Struktur (Rauten-Falt-Struktur), In: Materialblog.de
  2. Maria Burke: A stretch of the imagination. In: New Scientist. Band 154, Nr. 2085, 1997, S. 36–39 (HTML [abgerufen am 6. Dezember 2011]). HTML (Memento des Originals vom 26. August 2011 im Internet Archive) i Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/research.dh.umu.se
  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.