Compressie of spanning – het materiaal zet altijd uit

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van chemicus Prof. Thomas Heine van de TU Dresden heeft een nieuw tweedimensionaal materiaal ontdekt met ongekende eigenschappen: het zet altijd uit, of het nu gespannen of gecomprimeerd is. Dit zogenaamde half-auxetische gedrag is nog niet eerder waargenomen en is daarom veelbelovend voor het ontwerpen van nieuwe toepassingen, vooral in de nanosensorica.

Als je een elastische band uitrekt, wordt deze dunner – een fysiek gedrag dat van toepassing is op de meeste ‘gewone’ materialen. Sinds de 20e eeuw is in het materiaalonderzoek een tegengesteld gedrag bekend: de zogenaamde auxetische (van het oude Griekse auxetos, wat ‘rekbare’ betekent) materialen breiden uit in de richting orthogonaal op de rek. Evenzo krimpen ze wanneer ze worden samengedrukt. Wetenschappelijk gezien worden ze gekenmerkt door een negatieve Poisson-ratio. Waarschijnlijk de bekendste en oudste toepassing van ongebruikelijke Poisson-verhoudingen is de fleskurk, die een Poisson-verhouding van nul heeft. Dit heeft tot gevolg dat de kurk in de dunnere hals van de fles kan worden gestoken.

Door hun speciale eigenschappen maken auxetische materialen volledig nieuwe functionaliteiten en ontwerpoplossingen mogelijk voor een verscheidenheid aan innovatieve producten met instelbare functionele eigenschappen, inclusief toepassingen in de medische technologie of bij de ontwikkeling van beschermingsmiddelen zoals fietshelmen of veiligheidsjassen.

Thomas Heine, hoogleraar Theoretische Chemie aan de TU Dresden, en zijn team hebben nu een voorheen onbekend fenomeen ontdekt. Gebaseerd op borofeen, een atomair dunne configuratie van het element boor, werd een stabiele vorm gevonden door palladium toe te voegen, wat de chemische samenstelling PdB4 opleverde. De computermodellering laat zien dat dit materiaal zich onder spanning gedraagt ​​als een auxetisch materiaal, maar onder druk uitzet als een gewoon materiaal. Met andere woorden, ongeacht of het wordt gespannen of gecomprimeerd, zet het materiaal altijd uit.

“Naast een grondige karakterisering in termen van stabiliteit, mechanische en elektronische eigenschappen van het materiaal, hebben we de oorsprong van dit half-auxetische karakter geïdentificeerd en geloven we dat dit mechanisme kan worden gebruikt als een ontwerpconcept voor nieuwe half-auxetische materialen,” legt prof. Heine uit: “Deze nieuwe materialen zouden kunnen leiden tot innovatieve toepassingen in nanotechnologie, bijvoorbeeld in detectie of magneto-optica. Een overdracht naar macroscopische materialen is evengoed denkbaar.”