Quelltext der Seite Auxetisches Material

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'''Auxetische Materialien''' (von {{grcS|αὐξητός|auxetos|de=dehnbar}}) haben die ungewöhnliche Eigenschaft, sich bei einer Streckung quer zur Streckrichtung auszudehnen. Sie sind daher charakterisiert durch eine ''negative'' [[Poissonzahl]] (Querkontraktionszahl) <math>\nu_\text{aux} < 0</math>, während die meisten üblichen Materialien wie Metalle, Polymere oder Beton eine positive Querkontraktionszahl im Bereich <math>0 < \nu < 0{,}5</math> besitzen.

== Beschreibung ==
[[Datei:Auxetische Materialien.wiki.png|mini|x250px|Auxetisches Netz im Kasten unten links: Eine vertikale Streckung hat eine horizontale Ausdehnung zur Folge (und umgekehrt). Hier ist nur das Prinzip dargestellt. Eigentlich sollte die gestreckte Quadratstruktur rechts mehr Fläche beanspruchen als die noch gefalteten Rauten links. Bei der Wabenstruktur oben ist es umgekehrt.]]
Zu den auxetischen Materialien gehören unter anderem hochverstrecktes [[Teflon]] und die Haut von [[Zitze|Kuhzitzen]]<ref>{{Literatur |Autor=Caroline Lees, Julian F.V. Vincent, J. Eric Hillerton |Titel=Poisson's ratio in skin |Sammelwerk=Bio-medical materials and engineering |Band=1 |Nummer=1 |Datum=1991 |Seiten=19-23 |Sprache=en |DOI=10.3233/BME-1991-1104}}</ref>. Schon im Jahre 1888 wurde von [[Woldemar Voigt (Physiker)|Woldemar Voigt]] eine negative Querkontraktionszahl von kristallinem [[Pyrit]] veröffentlicht<ref>{{Literatur |Autor=Woldemar Voigt |Titel=Bestimmung der Elasticitätsconstanten von Flussspath, Pyrit, Steinsalz, Sylvin |Sammelwerk=Annalen der Physik |Band=271 |Nummer=12 |Datum=1888 |Seiten=642-661 |Sprache=de |DOI=10.1002/andp.18882711204}}</ref>.

Eines der ersten künstlich hergestellten auxetischen Materialien, die '''RFS-Struktur''' (Rauten-Falt-Struktur)<ref>{{Webarchiv|url=https://materialblog.de/2016/08/funktionale-falten/ |wayback=20170813143223 |text=RFS-Struktur (Rauten-Falt-Struktur) |archiv-bot=2023-03-12 02:36:01 InternetArchiveBot }}, In: Materialblog.de</ref>, wurde 1978 von dem Berliner Forscher Karsten Pietsch erfunden. Er verwendete zwar nicht den Begriff Auxetik, beschreibt aber erstmals die zu Grunde liegende Hebelmechanik sowie deren nicht lineare mechanischen Reaktionen und gilt daher als Erfinder des in der Grafik oben dargestellten Auxetischen Netzes und der aus dem [[Satz des Pythagoras]] abgeleiteten Formel der auxetischen Querausdehnung:

Satz der auxetischen Querausdehnung:
: <math>q = \sqrt{c^2-(c-z)^2}</math>
mit
: <math>q</math> = Querausdehnung,
: <math>c</math> = Länge des Hebelarms,
: <math>z</math> = die Länge der einwirkenden Zugbewegung.
[[Datei:Prinzip der auxetischen Hebelmechanik1.png|mini|545x545px|Prinzip der auxetischen Hebelmechanik]]
Aus dem Satz der auxetischen Querausdehnung lässt sich unter der Berücksichtigung der [[Hebel (Physik)|Hebelgesetze]] (Kniehebel) die [[Dynamik (Physik)|Dynamik]] und [[Kinematik]] der auxetischen Hebelmechanik von der geringsten bis zur größten Ausdehnung ableiten.

In späteren Veröffentlichungen relativiert er den Begriff Auxetik mit der Feststellung, dass es kein Vollmaterial aus einem Grundstoff mit einer negativen Poissonzahl geben kann, da ein auxetisches Material mindestens aus zwei unterschiedlichen Grundstoffen besteht und dessen auxetischer Effekt immer auf eine [[Hebel (Physik)|hebelmechanische Reaktion]] zurückzuführen ist. Darum kann auch die Berechnung der Querkontraktion nach [[Siméon Denis Poisson]] in der [[Festigkeitslehre]] nicht ohne Weiteres auf auxetische Materialien angewendet werden. Diese ist nur für Vollmaterialien definiert, die aus einem einzelnen Grundstoff bestehen.

Auxetische Materialien bestehen in der Regel aus Grundstoffen, die selber eine neutrale oder positive Poissonzahl haben.

Die negative Poissonzahl hat nur begrenzte Anwendungsfälle, da sie in der Regel nur bei porösen oder [[Verbundmaterial]]ien anzutreffen ist, die eine Volumenveränderung zulassen und deren hebelmechanische Reaktion eine Kraft/Weg-Umkehrung aufweist<!-- Was soll dass heißen? Dass sich eine anfangs hohe Spannung bei Streckung zunehmend reduziert? So wie wenn bei einem Metall die Bruchspannung überschritten wird? -->. Eine negative Poissonzahl lässt sich zwar berechnen, sie besitzt aber keine aussagekräftige Relevanz.<ref name="burke">{{Literatur |Autor=Maria Burke |Titel=A stretch of the imagination |Sammelwerk=New Scientist |Band=154 |Nummer=2085 |Datum=1997 |Seiten=36–39 |Sprache=en |Online=https://www.newscientist.com/article/mg15420854-200-a-stretch-of-the-imagination/ |Abruf=2021-11-13 }} Auch: {{Webarchiv|url=http://research.dh.umu.se/dynamic/artiklar/shape/stretch.html |wayback=20110826012057 |text=Volltext }}.</ref> Das Prinzip der auxetischen Materialien wurde erstmals 1987 im Wissenschaftsmagazin ''[[Science]]'' näher beschrieben.<ref>{{Literatur |Autor=Roderic Lakes |Titel=Foam Structures with a Negative Poisson’s Ratio |Sammelwerk=Science |Band=235 |Nummer=4792 |Datum=1987 |Seiten=1038–1040 |Sprache=en |DOI=10.1126/science.235.4792.1038}}</ref>

Auxetisches Verhalten kann auf [[Molekül]]- oder Makroebene entstehen. Es ist bei verschiedenen Mineralschnitten zu beobachten. Dazu gehören [[Molybdän(IV)sulfid]], [[Graphit]], [[Labradorit]] und [[Augit]]. Ebenso kann man auxetisches Verhalten bei entsprechend geschnittenen [[Cristobalit]]dünnschliffen, [[Zink]] und [[Polypropylen]] zeigen.<ref>{{Literatur |Autor=S. P. Tokmakova |Titel=Stereographic projections of Poisson’s ratio in auxetic crystals |Sammelwerk=physica status solidi (b) |Band=242 |Nummer=3 |Datum=2005 |Seiten=721–729 |Sprache=en |DOI=10.1002/pssb.200460389}}</ref>

== Aufbau ==
Normale Materialien werden, wenn sie auseinandergezogen werden, in der Mitte dünner, da sie sich in Richtung des Zugs dehnen. Auxetische Materialien dagegen nehmen im Querschnitt zu, wenn an ihnen gezogen wird; sie weiten sich quer zur Zugrichtung.
[[Datei:Auxetische Querausdehnung RFS.png|mini|610x610px|Die Darstellung zeigt die beiden Querausdehnungseffekte der Rauten-Falt-Struktur(RFS)]]
Dreidimensionale auxetische Materialien weiten sich in alle Richtungen quer zur Zugrichtung. Dabei handelt es sich meist um Makrostrukturen, die dem Material die auxetischen Eigenschaften verleihen, und nicht um eine Eigenschaft auf molekularer Ebene. Es gibt Materialien, die von Natur aus solche Strukturen aufweisen, und Materialien, die künstlich in eine auxetische Struktur gebracht werden, wie die Rautenfaltstruktur (RFS), die aus verschiedenen Grundstoffen hergestellt werden kann.

== Anwendung ==
Auxetische Materialien besitzen sehr gute mechanische Eigenschaften wie hohe Werte für Schersteifigkeit, Eindringwiderstand, Bruchzähigkeit und Dissipation mechanischer Aufprallenergie<ref name="Wolf">{{Literatur |Autor=Andreas T. Wolf |Titel=Auxetische Materialien: Von einer wissenschaftlichen Kuriosität zu funktionalen Werkstoffen. |Sammelwerk=Chemie in unserer Zeit |Datum=2001 |Sprache=de |DOI=10.1002/ciuz.202000067}}</ref>. Deshalb sind auxetische Materialien beispielsweise für Leichtbauanwendungen geeignet.

Ausgehend von der auxetischen Mechanik, welche maßgeblich die mechanischen Strukturparameter wie z.&nbsp;B. Steifigkeit, thermisches und Schwingungsverhalten, Energieabsorptionsfähigkeit oder Zähigkeit prägt und überdurchschnittlich positiv beeinflusst, erreicht man bei gleichem oder leichterem Gewicht Leistungsniveaus, die mit üblichen Bauweisen nicht realisierbar sind. <!-- Warum ? -->

Darüber hinaus ermöglicht die auxetische Mechanik völlig neuartige Funktionalitäten und Designlösungen für eine Vielzahl neuer Produkte mit gezielt einstellbaren Funktionseigenschaften. Deshalb sind auxetische Konstruktionsansätze sowohl aus wissenschaftlicher als auch wirtschaftlicher und gestalterischer Sicht von großer Bedeutung. <!-- Warum, wieso, weshalb ? -->

[[Künstliche Lunge]]n, die aus auxetischen Materialien bestehen, können mehr Sauerstoff aufnehmen und Kohlenstoffdioxid abgeben. Auch in der [[Pharmazie]] sind Anwendungen denkbar: Wäre ein mit Medikamenten gefülltes Minidepot in ein Pflaster eingebaut, würde bei einer [[Ödem|Schwellung]] der Wunde das Medikament freigesetzt, da der sich durch den Druck verringernde Querschnitt den enthaltenen Stoff herausdrücken würde.<!-- Eigentlich verringert sich doch auch bei jedem anderen porösen Material das Porenvolumen bei Druckbeanspruchung ... ? --><!-- das atypische Verhalten eines auxetischen Materials bewirkt je nachdem, welche Kräfte wirken, wie der Name sagt, atypische Reaktionen; das ergibt Sinn, wenn das auxetische Strukturverhalten verstanden wird, eigentlich fehlt hier noch die Erwähnung von Stents in der medizinischen Anwendung. -->

Denkbar ist, Schutzausrüstungen für Sportler oder [[schusssichere Weste]]n aus auxetischen Materialien herzustellen<ref name="Wolf" />. Herkömmliche [[Beschusshemmende Weste|Sicherheitswesten]] bestehen aus Faserstoffen, die die Kraft des [[Projektil]]s auf eine große Fläche verteilen und dadurch die Durchschlagskraft verringern. Beim Aufprall auf Westen aus auxetischen Materialien entsteht dagegen ein Bereich höherer Dichte und damit Eindringwiderstand. Dadurch werden Aufprallenergien wirksam dissipiert.

== Weblinks ==
* [http://silver.neep.wisc.edu/~lakes/Poisson.html Negative Poisson’s ratio materials] (englisch)
* [https://www.organische-chemie.ch/chemie/2006sep/auxetischemolekuele.shtm Auxetische Moleküle]
* [http://science.orf.at/stories/1656002/ Bericht über Auxetik auf ORF.at]
* [https://www.welt.de/wissenschaft/article13735106/Wunder-Stoff-fasziniert-mit-bizarren-Eigenschaften.html Wunder-Stoff fasziniert mit bizarren Eigenschaften] auf welt.de vom 27. November 2011
* [http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=168 Info über auxetische Materialien] (englisch)
* [https://www.youtube.com/watch?v=h7MueEKx_R0 Video eines auxetischen Schaums] (abgerufen am 13. Februar 2022)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Werkstoffeigenschaft (Festigkeitslehre)]]