فرامواد مکانیکی

بندانگشتی|برداشت هنری از فرامادۀ جدید خمش نور
متامواد مکانیکی، مواد ساختارهای مصنوعی با طراحی منطقی و با چیدمان‌های هندسی دقیق هستند که منجر به خواص های فیزیکی و شیمیایی تحقیق می‌شوند. این خواص بی‌سابقه اغلب از ساختارهای داخلی منحصر به فرد آنها ناشی می‌شوند، نه از موادی که از آنها ساخته شده‌اند. الهام‌بخش طراحی متامواد مکانیکی اغلب از مواد بیولوژیکی (مانند لانه زنبوری و سلول‌ها)، از ساختارهای سلول واحد مولکولی و کریستالی و همچنین زمینه‌های هنری اوریگامی و کریگامی ناشی می‌شود. در حالی که متامواد مکانیکی اولیه تکرارهای منظمی از ساختارهای سلول واحد ساده داشتند، اکنون واحدها و معماری‌های پیچیده‌تری در حال بررسی هستند. متامواد مکانیکی را می‌توان به عنوان همتای خانواده نسبتاً شناخته شده متامواد نوری و متامواد الکترومغناطیسی در نظر گرفت. متامواد مکانیکی، چتر گسترده‌ای هستند که توسط ساختارهای معماری شده در مقیاس‌های نانو، میکرو، مزو و ماکرو تعریف می‌شوند و خواصی را ایجاد می‌کنند که در مواد معمولی غیرقابل دستیابی هستند. خواص مکانیکی، از جمله الاستیسیته، ویسکوالاستیسیته، ترموالاستیسیته و رسانایی حرارتی، اهداف کلیدی طراحی در متامواد مکانیکی هستند. تحت چتر متامواد مکانیکی، سه شاخه اصلی را می‌توان تشخیص داد. مورد اول شامل پاسخ‌های استاتیک یا شبه‌استاتیک، مانند اکستیسیته، سختی قابل تنظیم، چندپایداری یا تغییر شکل قابل برنامه‌ریزی است. مورد دوم شامل پدیده‌های موج دینامیکی در جامدات است که اغلب به عنوان متامواد الاستیک یا الاستودینامیک شناخته می‌شوند، که در آن معماری‌های رزونانسی یا تناوبی، انتشار موج طولی و برشی را از طریق خواص مؤثری مانند چگالی جرم یا مدول منفی کنترل می‌کنند. متامواد آکوستیک در این شاخه دینامیکی قرار می‌گیرند و برای کنترل امواج فشار طولی در سیالات و همچنین در جامدات که اثرات برشی ناچیز است، از طریق چگالی مؤثر و مدول حجمی تنظیم‌شده، طراحی شده‌اند. شاخه سوم شامل متامواد حرارتی است که هدایت و انتشار گرما را دست‌کاری می‌کنند. اینها متامواد مکانیکی در نظر گرفته می‌شوند زیرا پاسخ‌های حرارتی غیرمعمول آنها از معماری مهندسی‌شده ناشی می‌شود نه از ترکیب، که امکان هدایت ناهمسانگرد، پوشش حرارتی و مدیریت گرمای جهت‌دار را با استفاده از ساختارهایی مانند الیاف هم‌تراز یا آرایه‌های نانولوله کربنی فراهم می‌کند. تحقیقات اصلی در مورد متامواد مکانیکی بر روی خواص استاتیک و شبه استاتیکی متمرکز شده است که می‌توانند برای پذیرش مقادیری که در طبیعت یافت نمی‌شوند، مانند سختی منفی، نسبت پواسون منفی، تراکم‌پذیری منفی و مدول برشی صفر شونده، طراحی شوند. 

 مواد نوین مکانیکی کلاسیک 
چاپ سه‌بعدی یا تولید افزایشی، در دهه گذشته با امکان‌پذیر کردن ساخت ساختارهای پیچیده متامواد مکانیکی، انقلابی در این زمینه ایجاد کرده است. برخی از خواص بی‌سابقه و غیرمعمول متامواد مکانیکی کلاسیک عبارتند از:
بندانگشتی|یک سازه بیومتریال لوله‌ای با نسبت پواسون منفی 

 نسبت پواسون منفی (اکستیک) 
نسبت پواسون نحوه انبساط (یا انقباض) عرضی یک ماده را هنگام فشرده شدن طولی تعریف می‌کند. در حالی که اکثر مواد طبیعی نسبت پواسون مثبت دارند (مطابق با ایده شهودی ما مبنی بر اینکه با فشرده شدن یک ماده، باید در جهت متعامد منبسط شود)، خانواده‌ای از مواد افراطی که به عنوان مواد اکستیک شناخته می‌شوند، می‌توانند نسبت‌های پواسون زیر صفر را نشان دهند. نمونه‌هایی از این مواد را می‌توان در طبیعت یا ساخته شده یافت و اغلب از یک ریزساختار کم حجم تشکیل شده‌اند که خواص افراطی را اعطا می‌کند. طرح‌های ساده‌ای از کامپوزیت‌ها که دارای نسبت پواسون منفی (سلول تناوبی شش ضلعی معکوس) هستند در سال ۱۹۸۵ منتشر شدند. علاوه بر این، چین‌های اوریگامی خاصی مانند چین میورا و به‌طور کلی، چین‌های مبتنی بر زیگزاگ نیز به عنوان چین‌های دارای نسبت پواسون منفی شناخته می‌شوند.

 سختی منفی 
متامتریال‌های مکانیکی با سختی منفی (NS) ساختارهای مهندسی‌شده‌ای هستند که خاصیتی خلاف شهود از خود نشان می‌دهند: با اعمال نیروی خارجی، ماده به گونه‌ای تغییر شکل می‌دهد که نیروی اعمال‌شده را به جای افزایش، کاهش می‌دهد. این برخلاف مواد معمولی است که در برابر تغییر شکل مقاومت می‌کنند. متامتریال‌های NS معمولاً از عناصری با چیدمان دوره‌ای ساخته می‌شوند که تحت بار، دچار ناپایداری الاستیک می‌شوند. این ناپایداری منجر به رفتار سختی منفی در یک محدوده تغییر شکل خاص می‌شود. اثر کلی، ماده‌ای است که می‌تواند انرژی را به‌طور مؤثرتری جذب کند و خواص مکانیکی منحصر به فردی را در مقایسه با مواد سنتی از خود نشان دهد.

 انبساط حرارتی منفی 
این متامواد مکانیکی می‌توانند ضرایب انبساط حرارتی بزرگتری نسبت به هر یک از اجزای تشکیل‌دهنده نشان دهند. این انبساط می‌تواند به دلخواه بزرگ مثبت یا به دلخواه بزرگ منفی یا صفر باشد. این مواد به‌طور قابل توجهی از مرزهای انبساط حرارتی یک کامپوزیت دو فازی فراتر می‌روند. آنها حاوی فضای خالی قابل توجهی هستند.

 نسبت استحکام به چگالی بالا 
یک متامتریال مکانیکی با نسبت استحکام به چگالی بالا، ماده‌ای مصنوعی است که برای داشتن خواص مکانیکی استثنایی نسبت به وزنش مهندسی شده است. این امر از طریق ریزساختارهای داخلی با دقت طراحی شده، که اغلب دوره‌ای یا سلسله مراتبی هستند، حاصل می‌شود که به عملکرد کلی ماده کمک می‌کنند.
 تراکم پذیری منفی 
در یک سیستم ترمودینامیکی بسته در حالت تعادل، به دلیل محدودیت‌های پایداری، هم تراکم‌پذیری طولی و هم حجمی لزوماً غیرمنفی هستند. به همین دلیل، مواد معمولی هنگام کشش، در امتداد جهت نیروی اعمال شده منبسط می‌شوند. با این حال، نشان داده شده است که متامتریال‌ها می‌توانند طوری طراحی شوند که گذارهای تراکم‌پذیری منفی را نشان دهند، که در طی آن ماده هنگام کشش دچار انقباض (یا هنگام فشار منبسط) می‌شود. این متامتریال‌ها هنگامی که تحت تنش‌های ایزوتروپیک قرار می‌گیرند، گذارهای تراکم‌پذیری حجمی منفی را نیز نشان می‌دهند. در این دسته از متامتریال‌ها، پاسخ منفی در امتداد جهت نیروی اعمال شده است، که این مواد را از موادی که پاسخ عرضی منفی نشان می‌دهند (مانند مطالعه نسبت پواسون منفی) متمایز می‌کند.

 مدول حجمی منفی 
متامواد مکانیکی با مدول حجمی مؤثر منفی، خواص جذاب و غیرمنتظره‌ای از خود نشان می‌دهند. برخلاف مواد معمولی که تحت فشار فشرده می‌شوند، این مواد منبسط می‌شوند. این رفتار غیرعادی ناشی از ریزساختار مهندسی‌شدهٔ دقیق آنهاست که امکان ایجاد مکانیسم‌های تغییر شکل داخلی را فراهم می‌کند که تنش اعمال شده را خنثی می‌کند. کاربردهای بالقوه برای این مواد بسیار گسترده است. می‌توان از آنها برای طراحی متامواد آکوستیک یا فونونیک، کمک‌فنرهای پیشرفته و سیستم‌های اتلاف انرژی استفاده کرد. علاوه بر این، خواص الاستیک منحصر به فرد آنها ممکن است در ایجاد اجزای ساختاری جدید با انعطاف‌پذیری و سازگاری بیشتر با بارهای دینامیکی کاربرد داشته باشد.
بندانگشتی|تصویر SEM از یک متاماده پنج‌حالته (با اندازه تقریبی ۳۰۰ میکرومتر)

 مدول برشی محوشونده 
یک متامتریال پنج‌حالته، یک ساختار سه‌بعدی مصنوعی است که با وجود جامد بودن، در حالت ایده‌آل مانند یک سیال رفتار می‌کند؛ بنابراین، حجم محدودی دارد اما مدول برشی آن صفر است، یا به عبارت دیگر، فشرده‌سازی آن دشوار اما تغییر شکل آن آسان است. به بیان ریاضی‌تر، متامتریال‌های پنج‌حالته دارای تانسور الاستیسیته با تنها یک مقدار ویژه غیر صفر و پنج مقدار ویژه صفر (پنتا) هستند. ساختارهای پنج‌حالته به صورت نظری توسط گریم میلتون و آندره چرکایف در سال ۱۹۹۵ پیشنهاد شده‌اند، اما تا اوایل سال ۲۰۱۲ ساخته نشده‌اند طبق تئوری، متامتریال‌های پنج‌حالته می‌توانند به عنوان بلوک‌های سازنده برای موادی با خواص الاستیک کاملاً دلخواه استفاده شوند. نسخه‌های ناهمسانگرد ساختارهای پنج‌حالته، کاندیدایی برای الاستودینامیک تبدیلی و پنهان‌سازی الاستودینامیک هستند.

 الاستیسیته میکروپلار کایرال 
غلب اوقات، الاستیسیته کوشی برای توصیف رفتار مؤثر متامواد مکانیکی کافی است. هنگامی که سلول‌های واحد متامواد معمولی متقارن مرکزی نیستند، نشان داده شده است که یک توصیف مؤثر با استفاده از الاستیسیته میکروپلار کایرال (یا کوسرات) مورد نیاز است. الاستیسیته میکروپلار، کوپلینگ درجات آزادی انتقالی و چرخشی را در حالت استاتیک ترکیب می‌کند و رفتاری معادل با فعالیت نوری نشان می‌دهد.

 قابلیت تنظیم مکانیکی بی‌نهایت 
علاوه بر خواص مکانیکی بی‌سابقه و شناخته‌شدهٔ متامواد مکانیکی، «قابلیت تنظیم مکانیکی نامحدود» یکی دیگر از جنبه‌های حیاتی متامواد مکانیکی است. این امر به ویژه برای مواد ساختاری اهمیت دارد، زیرا ریزساختار و سختی آنها را می‌توان تنظیم کرد تا به‌طور مؤثر به مرزهای بالایی نظری برای سختی و استحکام خاص دست یابند. در حالی که کامپوزیت‌های نظری که به همان مرز بالایی دست می‌یابند، مدتی است که وجود دارند، ساخت آنها غیرعملی بوده است زیرا به ویژگی‌هایی در مقیاس‌های طولی متعدد نیاز دارند. طرح‌های تک مقیاس طولی برای تولید افزایشی قابل استفاده هستند، جایی که می‌توانند سیستم‌های مهندسی شده‌ای را فعال کنند که سختی، استحکام و جذب انرژی سبک را به حداکثر می‌رسانند.

 متامتریال‌های مکانیکی فعال 
بندانگشتی|درخت دانش فرامادۀ مکانیکی
تا به امروز، اکثر مطالعات جریان اصلی در مورد متامواد مکانیکی بر ساختارهای غیرفعال با خواص ثابت، فاقد قابلیت‌های حسگری یا بازخورد فعال متمرکز بوده‌اند. ادغام عمیق قابلیت‌های پیشرفته، چالشی حیاتی در کاوش نسل بعدی متامواد است. متامواد مکانیکی کامپوزیتی می‌تواند کلید دستیابی به این هدف باشد. با این حال، کل مفهوم متامواد مکانیکی کامپوزیتی هنوز در مراحل ابتدایی خود است. دستیابی به رفتار قابل برنامه‌ریزی از طریق تعامل بین ماده و ساختار در متامواد مکانیکی کامپوزیتی، امکان ادغام قابلیت‌های پیشرفته در بافت آنها فراتر از خواص مکانیکی آنها را فراهم می‌کند. "درخت دانش متامواد مکانیکی" نشان می‌دهد که متامواد کایرال، شبکه‌ای و منفی (مثلاً مدول حجمی منفی یا مدول الاستیک منفی) به بلوغ رسیده‌اند و پس از آن متامواد اوریگامی و سلولی قرار دارند.

روندهای تحقیقاتی اخیر وارد فضایی فراتر از صرفاً کاوش خواص مکانیکی بی‌سابقه شده‌اند. جهت‌های نوظهور پیش‌بینی‌شده عبارتند از حسگری، برداشت انرژی و فعال‌سازی متامواد مکانیکی. درخت دانش نشان می‌دهد که محاسبات دیجیتال، ذخیره‌سازی داده‌های دیجیتال و کاربردهای سیستم‌های میکرو/نانو الکترومکانیکی (MEMS/NEMS) یکی از ارکان تحقیقات آینده متامواد مکانیکی هستند. در امتداد این مسیر تکامل، هدف نهایی می‌تواند متامواد مکانیکی فعال با سطحی از شناخت باشد. توانایی‌های شناختی عناصر حیاتی در یک "متامواد مکانیکی هوشمند" واقعی هستند. مشابه موجودات زنده پیچیده، متامواد مکانیکی هوشمند می‌توانند به طور بالقوه توانایی‌های شناختی خود را برای حسگری، خود-تغذیه و پردازش اطلاعات به کار گیرند تا با محیط‌های اطراف تعامل داشته باشند، پاسخ خود را بهینه کنند و یک حلقه حس-تصمیم-پاسخ ایجاد کنند.

 متامتریال‌های مکانیکی قابل برنامه‌ریزی 
پاسخ قابل برنامه‌ریزی، جهت‌گیری نوظهوری برای متامواد مکانیکی فراتر از خواص مکانیکی است. پاسخ‌دهی الکتریکی یک قابلیت مهم برای طراحی متامواد مکانیکی تطبیقی، محرک و خودکار است. به عنوان مثال، ایده‌های تحقیقاتی توسط متامواد مکانیکی فعال و تطبیقی که مواد الکتریکی را در واحدهای ریزساختاری متامواد طراحی می‌کنند تا به طور خودکار ورودی کرنش مکانیکی را به خروجی سیگنال الکتریکی تبدیل کنند، گشوده شده است.

 فرامواد مکانیکی پاسخگو 
ادغام مواد کاربردی و طراحی مکانیکی، یک حوزه تحقیقاتی نوظهور برای بررسی متامواد مکانیکی پاسخگو است. مطالعات اخیر، دسته‌های جدیدی از متامواد مکانیکی را بررسی می‌کنند که می‌توانند به انواع مختلف تحریک مانند آکوستیک، ترموفتوولتائیک و مغناطیسی پاسخ دهند. 

 متامتریال‌های مکانیکی حسگر و برداشت انرژی 
مطالعات اخیر، ادغام قابلیت‌های حسگری و برداشت انرژی را در ساختار متامواد مکانیکی بررسی کرده‌اند. متاتریبومواد Alavi A.H., Barri K., "Self-aware composite mechanical metamaterials and method for making same", U.S. Pat. No. US2022/0011176A1, 2022. که در سال 2021 پیشنهاد شده‌اند، دسته جدیدی از متامواد مکانیکی کامپوزیتی چندمنظوره با قابلیت‌های حسگری و برداشت انرژی ذاتی هستند. این سیستم‌های مادی از ریزساختارهای تریبوالکتریک با طراحی دقیق و توپولوژیکی متفاوت تشکیل شده‌اند. متاتریبومواد می‌توانند به عنوان نانوژنراتورها و واسطه‌های حسگری برای جمع‌آوری مستقیم اطلاعات در مورد محیط عملیاتی خود عمل کنند. آنها به طور طبیعی خواص مکانیکی بهبود یافته ارائه شده توسط متامواد مکانیکی کلاسیک را به ارث می‌برند. تحت تحریکات مکانیکی، متاتریبومواد سیگنال‌های الکتریکی تولید می‌کنند که می‌توانند برای حسگری فعال و حسگرهای توانمند و الکترونیک تعبیه شده استفاده شوند.

 متامتریال‌های مکانیکی الکترونیکی 
متامواد مکانیکی الکترونیکی ، متامواد مکانیکی فعال با قابلیت‌های محاسبات دیجیتال و ذخیره‌سازی اطلاعات هستند. آن‌ها پایه و اساس یک حوزه علمی جدید به نام متامکانیکوترونیک (الکترونیک متامواد مکانیکی) را که در سال 2023 پیشنهاد شده است، بنا نهاده‌اند. این سیستم‌های مادی از طریق ادغام متامواد مکانیکی، الکترونیک دیجیتال و فناوری‌های نانو برداشت انرژی (مانند تریبوالکتریک، پیزوالکتریک، پیروالکتریک) ایجاد می‌شوند. متامواد مکانیکی الکترونیکی پتانسیل عملکرد به عنوان دروازه‌های منطقی دیجیتال را دارند و راه را برای توسعه کامپیوترهای متامواد مکانیکی (MMC) که می‌توانند سیستم‌های الکترونیکی سنتی را تکمیل کنند، هموار می‌کنند. چنین سیستم‌های متامواد محاسباتی می‌توانند به ویژه در بارهای شدید و محیط‌های سخت (مانند فشار بالا، دمای بالا/پایین و قرار گرفتن در معرض تابش) مفید باشند، جایی که الکترونیک نیمه‌هادی سنتی نمی‌تواند عملکردهای منطقی طراحی شده خود را حفظ کند.

 جستارهای وابسته 

 اکستیک
 فراماده
 مواد هوشمند
 مهندسی بافت
 الاستیسیته
 ویسکوالاستیسیته (مکانیک)

 منابع 

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:فراموادها