Vật liệu auxetics - When less becomes more

[bim112]

Thông thường khi kéo một vật, chẳng hạn như cao su, bề dày của cao su sẽ giảm. Ngược lại, khi bị ép lại, miếng cao su sẽ dày lên. Hiện tượng trên khá phổ biến đối với các laọi vật liệu. Tuy nhiên, cái j cũng có ngoại lệ. Liệu có vật liệu nào càng bị kéo ra thì càng dày, và càng ép lại thì càng mỏng không?



Vật liệu có tính chất khá đặc biệt đó được gọi là vật liệu auxetics. Từ “auxetics” được giáo sư Kenneth E. Evans của trường đại học Exeter, UK đề xuất, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “auxetos” có nghĩa là “ có khuynh hướng tăng lên”. Một đặc trưng cơ bản của vật liệu là tỷ số Poisson âm.
Tỷ số Poisson đo khuynh hướng của vật liệu bị co lại khi bị kéo dãn ra theo phương vuông góc và được xác định bằng tỷ số giữa độ biến dạng theo phương vuông góc với lực tác dụng và độ biến dạng theo phương của lực tác dụng






Phần lớn các laọi vật liệu thường có tỷ số Poisson dương.


Dưới tác dụng của một lực, phần lớn các loại vật liệu có khuynh hướng kháng lại sự thay đổi thể tích, được đặc trưng bằng modul khối ( độ đàn hồi thể tích, bulk moduli, K) hơn là kháng lại sự thay đổi hình dạng, được đặc trưng bằng moduli kéo (shear moduli, G). Hay nói cách khác, phần lớn các vật liệu có modul khối lớn hơn modul kéo nên tỷ số Poisson có giá trị dương. Điều đó được thể hiện rõ hơn qua sự liên hệ giữa tỷ số Poisson với moduli khối, moduli kéo, moduli Younng:
ν = (3K - 2G)/(6K + 2G)
E = 2G( 1 + ν)
Đứng về mặt cấu trúc, dưới tác dụng của lực kéo, các liên kết có khuynh hướng sắp xếp lại thẳng hàng với phương kéo. Do đó, khi kéo ra, vật liệu bị giãn theo phương vuông góc với lực kéo.
Tuy nhiên, một số loại vật liệu với cấu trúc đặc biệt có tỷ số Poisson âm như đơn tinh thể sắt pyrit, một số kim loại, một số laọi polymer,…Sở dĩ các vật liệu auxetic có tỉ số Poisson âm do cấu trúc đặc biết có khuynh hướng dễ thay đổi hình dạng hơn thay đổi thể tích dưới tác dụng của lực kéo hoặc nén.






Với cấu trúc hình tổ ong với các vòng lục giác dung hợp, vật liệu sẽ có tỷ số Poisson dương. Tuy nhiên, cấu trúc vẫn gồm các hình lục giác, tuy nhiên đã bị “biến dạng”, được gọi là cấu trúc re-entrant, khi bị kéo dãn theo 1 chiều, vật liệu sẽ giãn nở theo chiều còn lại.
Từ polymer có thể điều chế vật liệu auxetic bằng 2 phương pháp chính. Phương pháp thường dùng là biến tính cấu trúc của polymer. Đầu tiên, polymer được nén theo 3 trục vuông góc lẫn nhau được đặt trong 1 cái khuôn. Nung khuôn này lên tới nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ mềm hóa của polymer. Sau đó, làm lạnh khuôn đến nhiệt độ phòng. Polymer thu được sẽ có tỷ số Poisson âm. Ngoài ra polymer auxetic có thể điều chế bằng cách điều chế có khả năng self-assembly.
Ông E.Evan, một trong những người đầu tiên nghiên cứu vật liệu auxetic, đề ra 1 mô hình của polymer có tính chất của vật liệu auxetic. Theo mô hình này, polymer gồm có các vòng benzen và các đoạn polyacetilen.




Ngaòi ra có một số nhà khhoa học đề nghị thiết lập mô hình trong đó copolymer auxetic gồm có 2 fần chính (tương tự như PU): fần cứng (Hard Segment, HS) và fần mềm (soft segment, SS). Như tên gọi của nó, fần cứng có cấu trúc cứng, ít linh động, tức các liên kết khó quay linh động ( như hệ thống các vòng thơm liên hợp, các liên kết bội); trong khi đó, SS là mạch có nhiều liên kết xichma linh động. Mô hình chung như sau:



Những đường zic-zac đặc trưng cho SS, đường liền đặc trưng cho HS. Theo mô hình trên, fần HS có cấu trúc như hình, và gồm có 4 cánh tay, tận cùng của mỗi cánh tay là các nhóm chức, và giữa các nhóm chức có thể tạo liên kết hydrogen. 2 phân tử hình mũi tên liên kết với nhau thông wa SS. Các SS thường dùng là –O-CH2-CH2-O-, O-(p-C6H4)-O-,… Các phân tử fần HS thường dùng là



Tùy thuộc vào cấu trúc fần SS cũng như giá trị n trong fần HS mà auxetic copolymer có tỷ số Poisson âm khác nhau.
Vật liệu auxetic có rất nhiều ứng dụng. Chẳng hạn như trong lĩnh vực composite, khi chất độn là vật liệu auxetic, tính năng cơ lý sẽ cao hơn so với chất độn thông thường.



Đối với chất độn thông thường, dưới tác dụng của lức kéo, cả matrix polymer và chất độn đều bị kéo dãn nên làm giảm bề mặt tiếp xúc giữa polymer và chất độn  giảm sự tương hợp giữa polymer và chất độn  tính năng cơ lý thấp. Nhưng với chất độn là vật liệu auxetic, dưới tác dụng của lực kéo, chất độn giãn nỡ, bề mặt tiếp xúc giữa chất độn và polymer ít bị ảnh hưởng  duy trì được tính năng cơ lý tốt dưới tác dụng của lực kéo.