По правилам неправильных. Все большее применение находят материалы с “обратными” свойствами.

— Проект, который я веду, посвящен численно-аналитическому исследованию механических свойств нанообъектов и микрообъектов, — рассказывает Дмитрий Сергеевич. — Это углеродные и неуглеродные нано- и микротрубки, а также системы, состоящие из них и графена. В своих исследованиях при теоретическом описании механических свойств мы используем специальную модель — модель стержня, обладающего цилиндрической анизотропией. Взято за основу то, что нанотрубки по своей структуре представляют собой цилиндры диаметром от долей нанометров до нескольких сотен нанометров. Сегодня экспериментально получают как углеродные нанотрубки, так и большое количество неуглеродных нанотрубок. Они имеют широкий спектр потенциальных применений, например в электронике или при разработке композиционных материалов с улучшенными физическими свойствами. Добавление нескольких сотых процента углеродных нанотрубок в полимерную матрицу позволяет повысить эффективность упругих характеристик на десятки процентов. На физические свойства нанотрубок сильно влияют их механические характеристики. Поэтому мы и занимаемся моделированием механических свойств нано- и микрообъектов. Моделирование подобного рода находится на стыке нескольких дисциплин — механики, кристаллографии, химии.

Особое внимание уделяем теоретическому анализу ауксетиков, или материалов с отрицательным коэффициентом Пуассона. Они обладают необычными свойствами: при растяжении не сжимаются в поперечном направлении, как мы привыкли в нашей жизни, а расширяются. Это происходит благодаря их определенной структуре. Такая особенность интересна для прикладных разработок. Ауксетики могут, например, повышать несущую способность фрикционных соединений, адгезионную прочность в композитах, увеличивать сопротивление индентированию (вдавливанию). Ауксетики уже используются в медицине, например при создании стентов. В нашей лаборатории сейчас также занимаются разработкой ауксетического дизайна для стентов.

Несколько пояснений по ходу. Упоминались фрикционные соединения. К ним, в частности, относятся заклепки. Представьте, что мы обычной заклепкой скрепили какие-то две детали конструкции, которые при эксплуатации ее растягивают. Заклепка, сделанная из обычного материала, сжимается в поперечном направлении. В результате будет образовываться зазор между заклепкой и деталями конструкции, что может привести к разрушению. Если же изготовить заклепку из ауксетика, то зазор не образуется и такая конструкция может проработать значительно большее время. При индентировании, или, по-другому, вдавливании, специального инструмента в образец из обычного материала в нем появляется вмятина. В месте давления поверхность начинает как бы растекаться. А у ауксетиков наоборот — материал стекается в это место. Необычное свойство можно применять с большой пользой, например, изготавливая из ауксетических пористых материалов медицинские подушки и прокладки для лежачих больных. Такие изделия предотвратят образование пролежней.

— Первое упоминание об ауксетике встречается в начале XX столетия в известной монографии английского математика Августа Лява по теории упругости, где приводится пример пирита (железного колчедана) с отрицательным коэффициентом Пуассона. Пирит по составу — дисульфид железа. Название минерала в переводе с греческого означает “камень, высекающий огонь”. Это связано со свойством пирита давать искры при ударе. Поэтому пирит применялся в качестве кремня для извлечения огня. Следующее упоминание в научной литературе об ауксетиках относится к 1969 году. Статья была опубликована в журнале “Физика твердого тела” советскими учеными М.Я.Поперекой и Б.Г.Балагуровым. В работе отрицательный коэффициент Пуассона обнаружили для ферромагнитных пленок из никеля, железа и кобальта. В 1987 году американский ученый Родерик Лейкс впервые получил изотропные ауксетические полимерные пены. В последние десятилетия происходит бурный рост количества теоретических и экспериментальных исследований, работ по изготовлению, применению материалов и конструкций с отрицательным коэффициентом Пуассона. С 2004 года стали проводиться ежегодные специализированные международные конференции, посвященные этому направлению. В 2016 году пройдет двенадцатая по счету.

— Можно выделить несколько направлений. Первое — построение стержневых моделей с отрицательным коэффициентом Пуассона. Если в 1980-х годах проводились теоретические исследования таких конструкций, то сейчас их уже печатают на 3D-принтерах. Второе направление связано с получением композитов с эффективным отрицательным коэффициентом Пуассона. Их ауксетические свойства можно получать за счет неауксетических включений, например за счет особой укладки волокон. Третье — исследование ауксетичности в кристаллических телах. Это свойство обнаружено среди таких кристаллов, как цинк, кадмий, бериллий, для большого количества кубических кристаллов, например лития, натрия, железа, кальция, калия, меди, никеля, золота, серебра, бария, цезия, рубидия, кобальта, свинца. Если в таблице Менделеева выделить элементарные кубические металлы, то 66% из них окажутся ауксетиками. Сегодня известно более 300 ауксетических материалов, все это благодаря теоретическим исследованиям упругих констант кристаллов. Еще 5 лет назад можно было насчитать несколько десятков таких кристаллов. В результате проводимых в нашей лаборатории исследований список кристаллических ауксетиков удалось существенно расширить и ввести классификацию, например, для кубических кристаллов. Экспериментальных работ, подтверждающих ауксетичность кристаллических материалов, пока мало. Это связано с тем, что для исследований, в частности, нужны кристаллы без дефектов (монокристаллы).

— Как я уже упомянул, основываясь на численно-аналитическом анализе, нам удалось расширить список важных ауксетических материалов. Ауксетические свойства были выявлены, например, у кристаллов индия и олова. Кроме того, наши исследования показали, что и многие неуглеродные нанотрубки обладают такими свойствами (этот эффект зависит от их геометрических размеров и структуры). Они могут проявляться у нанотрубок, полученных из неауксетических кристаллов. То есть при изменении структуры (переходе от прямолинейного кристалла к криволинейной трубке) сильно меняются упругие свойства. Используя нашу механическую модель нанотрубок, мы впервые выявили линейный эффект Пойнтинга. В своих работах Джон Генри Пойнтинг установил, что длина различных проволок увеличивается при их упругом кручении и удлинение пропорционально квадрату угла кручения. Возможен обратный эффект Пойнтинга, когда растяжение сопровождается закручиванием. Наша механическая модель для нанотрубок показывает линейную связь между удлинением и углом кручения. Если сравнить поведение нашей модели нанотрубки и проволоки, то получается, что при их растяжении больший угол закручивания будет у нанотрубки. У нее больше энергии перейдет из растяжения в кручение. Этот эффект можно использовать при выборе материалов для создания торсионных (крутильных) элементов микро- и наноэлектромеханических систем с управляющими характеристиками. Подобно тому, как применяются углеродные нанотрубки в торсионных наномасштабных пружинах. Из результатов, полученных по эффекту Пойнтинга в рамках проекта, следует, что сама нанотрубка при закручивании в зависимости от структуры может как удлиняться, так и укорачиваться.

Нанообъекты могут проявлять удивительные механические свойства. В будущем мы планирует развивать теоретические модели, описывающие механические характеристики таких объектов. Особое внимание хотим уделить связи ауксетичности с различными физическими свойствами материалов.