المواد الأوكسيتيكية Auxetic Materials

تعتبر المواد الأوكسيتيكية صنفًا من المواد الفائقة Meta-materials (المواد الفائقة هي عبارة عن مواد اصطناعية تتم هندستها بتصاميم ذكية بحيث تحتوي مناطق عدم تجانس Inhomogeneities مما يغير من خصائصها على المستوى الماكروي الملموح بالعين المجردة) والتي تبدي سلوكًا يعبر عن قيم سالبة لمعامل بواسانPoisson Ratio (ويعرف معامل بواسان على أنه نسبة انفعال التقلص في المقطع العرضي على انفعال التمدد الطولي الحاصل على نفس اتجاه حمولة الشد، والعكس صحيح في حال تطبيق حمولة ضغط). عرفت هذه المواد منذ أكثر من مئة سنة، ولكنها حظيت باهتمام العلماء في السنوات العشر الأخيرة. و يمكن أن تكون من جزيئات مفردة، ولكنها في أغلب الأحيان مكونة من مواد تتم هندستها وفقًا لبنية هندسية محددة، وخاصة على المستوى الماكروي. وعلى الرغم من اعتبار المواد الأوكستيكية موادَ اصطناعية إلا أن سلوكها ملحوظ في الطبيعة ولو بشكل نادر؛ فهناك بعض الصخور والمعادن تبدي خصائص أوكستيكية، كما يمكن ملاحظة هذا السلوك كذلك في جلد أثداء البقر.

يتم تصنيع المواد الأوكستيكية عن طريق تعديل البينة الماكروية للمادة بحيث تتضمن تشكيلات مفصلية يتغير شكلها عند حدوث حالة تحميل (تطبيق للقوى)؛ ففي حالة تطبيق قوة شد Tensile Force فإن التشكيلات المفصلية تتمدد بشكل يحدث توسعًا عرضانيًا، وعند تطبيق قوة ضغط Compressive Force تلتوي هذه التشكيلات المفصلية داخليًا مسببة تقلصًا عرضانيًا.

وكمثال شائع لوصف سلوك المواد الأوكستيكية، يمكن أن نفترض أنه لدينا حبل مرن لُفّ عليه خيط غير مرن، فعند تطبيق حمل شد على هذا الحبل، تميل المادة غير المرنة إلى الاعتدال في حين يتمدد الحبل المرن، الأمر الذي يؤدي إلى زيادة حجم البنية الهندسية.

وغالبًا ما يتم بناء المواد الأوكستيكية استنادًا إلى البنية الرغوية Foam ولذلك فهي تتسم بانخفاص كثافتها نسبيًا. وتكون هذه البنية عبارة عن خلايا مفتوحة يتحكم بشكلها بما يحقق الخصائص المطلوبة منها.

وبسبب هذه الخواص غير العادية للمواد الأوكستيكية فإن هذه المواد تعد مقاومة نسبيًا للانبعاج Denting Resistence؛ فعند تطبيق حمل الصدم على هذه المواد، فإن الانضغاط الناجم عن الصدم يولد انضغاطًا داخليًا للمادة باتجاه نقطة الصدم مما يجعلها أكثر كثافة عند هذه النقطة وأكثر تحملًا للقوة. وتعتبر المواد الأوكستيكية موادَ مقاومة للتمزق والتشقق Fracture؛ حيث أنها تتوسع عرضانيًا تحت تأثير حمل الشد المطبق وهذا مايؤدي إلى إغلاق أي تشققات محتملة في المادة قبل أن تبدأ هذه التشققات بالنمو. وعلى أي حال، تعتبر المسامية Porosity العائق الرئيس لهذه المواد؛ فهي ليست كثيفة كفاية أو صلبة بشكل يتلاءم مع تطبيقات التحميل الإسنادية Load Bearing وعند معالجة هذا العائق فإن الخصائص الأوكستيكية تميل نحو الانخفاض مما يجعل تطبيقات -أو مجالات- استخدام هذه المواد محدودة مقيدة هذه الخصائص.

يمكن تصنيع المواد الأوكستيكية بشكل أساسي وفقًا لمنهجيتين مختلفتين؛ فحسب منهجية الأعلى للأسفل Top- Down فإنه يمكن تشكيل البوليمر المراد بحيث نحصل على البنية الهندسية والخصائص المرادة. أما حسب منهجية الأسفل للأعلى Bottom-Up فإن المادة تبنى من الصفر جزيئًا بعد الآخر، بحيث تتم هندسة الجزيئات على مقياس صغير جدًا. وفي كلا المنهجيتين فإن الهدف هو إيجاد نمط تكراري لوحدات البناء (الخلايا) والتي تتضمن التشكيلات المفصلية الضرورية.

هناك العديد من الاستخدامات المقترحة للمواد الأوكستيكية، ولكن معظم هذه المقترحات لم تؤت أُكُلها تجاريًا حتى الآن بسبب صعوبة التعامل الحالية مع هذه المواد في إطار المقاييس الكبيرة مما يخلق بعض الصعوبات التصنيعية. وفيما يلي بعض المجالات المحتملة لاستخدام المواد الأوكستيكية:

التطبيقات الطبية والحيوية:

نستطيع معالجة العديد من المواد المستخدمة في التطبيقات الطبية بحيث تمتلك خصائص أوكستيكية، حيث يمكن للمواد الأوكستيكية أن تكون خيارًا جيدًا في إجراءات توسيع الأوعية الدموي Blood Vessels في عمليات الجراحة القلبية؛ حيث يمكن إدخال قطعة من مادة أوكستيكية مصنعة مثلًا من بوليمير PTFE (متعدد رباعي فلورو الإثيلين، الاسم التجاري هو Teflon) في أحد الأوعية الدموية ومن ثم يطبق الشد على هذه القطعة مما يؤدي إلى توسع عرضاني وبالتالي إلى فتح الوعاء الدموي.

المصافي Filters:

من المعروف أن المصافي (الفلاتر) التقليدية عادة ما تكون صعبة التنظيف بشكل يحتم التخلص منها عند اتساخها، ولكن الفلتر المصنوع من مادة أوكستيكية يتميز بإمكانية تنظيفه بسهولة بالغة وذلك بتطبيق قوة شد من أجل فتح المسامات. وعند الانتهاء من التنظيف، يتم إلغاء تأثير قوة الشد ويعود الفلتر إلى شكله الأولى.

الألياف الأوكستيكية Auxetic Fibers:

تتمحور الفكرة هنا حول توظيف عملية معالجة مستمرة تسمح بإنتاج المادة الأوكستيكية على شكل ألياف، وذلك يفتح الباب لاستخدام هذه الألياف على هيئة خيوط مفردة أو متعددة بحيث يمكن حياكتها، وبالتالي يمكن استخدامها في تصنيع الخوذ والدروع والألبسة الرياضية والتي تستلزم توافر مقاومة الانبعاج والتمزق.

ويمكن أن تضاف المواد الأوكستيكية إلى المواد المعدنية من أجل إيجاد مركبات بمقاومة أعلى للتشقق الحاصل بسبب انفعال القص ( في حالة الالتواء).

المصدر:

[V. H. Carneiro. J. Meireles. H. Puga. Auxetic Materials – A Review, Department of Mechanics Engineering, University of Minho, 2013]