Ауксетики: перспективные материалы с необычными свойствами. Интервью с членом-корреспондентом РАН Дмитрием Лисовенко

Материалы, которые при растяжении не сжимаются, а, наоборот, расширяются. Так ведут себе ауксетики: довольно распространенные, но малоизвестные и не до конца изученные структуры. Потенциально их возможно использовать при создании новых защитных конструкций и медицинских изделий. Об этом ― в интервью с Дмитрием Сергеевичем Лисовенко.

― В чем уникальность ауксетиков?

― Эти материалы действительно уникальны: их главное свойство заключается в том, что они при растяжении, в отличие от классических материалов, расширяются в поперечном направлении. Хорошим примером служит детская игрушка-трансформер: в сжатом состоянии она представляет собой компактный шарик, а при растяжении заметно расширяется.

Кроме того, у ауксетиков есть и другие уникальные свойства. Например, они лучше сопротивляются проникновению, чем привычные для нас материалы. Если на обычное тело оказать давление, материал под местом воздействия деформируется, образуя вмятину или даже отверстие. В случае с ауксетиком происходит обратное: материал «стекается» к точке давления, что значительно затрудняет проникновение.

Третье свойство — это особая реакция на изгиб. Если изготовить пластину и приложить нагрузку на изгиб, ауксетик деформируется не так, как традиционные материалы. Таким образом, у этих материалов есть три ключевых свойства, но главными, наиболее интересующими ученых я бы назвал два: расширение в поперечном направлении при растяжении и повышенное сопротивление проникновению инородного тела.

― Правильно ли я понимаю, что ауксетики ― это определенные структуры? Или некоторые вещества в их исходном состоянии имеют ауксетические свойства?

― Может показаться, что ауксетики открыли недавно, несколько десятилетий назад. На самом деле первые упоминания материалов с такими свойствами появились около 100 лет назад. В классической работе по механике деформируемого твердого тела английского математика Огастеса Лава встречается упоминание о пирите ― материале с отрицательным коэффициентом Пуассона. При этом экспериментальное подтверждение существования материалов с отрицательным коэффициентом Пуассона было получено еще раньше.

Коэффициент Пуассона, с которым связаны особые свойства ауксетиков, — это отношение поперечной деформации к продольной. У ауксетиков этот коэффициент со знаком минус. Значительная часть пионерских фундаментальных работ в этой области была выполнена в Советском Союзе, но массовых исследований тогда не проводилось. Публикации появлялись примерно раз в десять лет и изначально были связаны с изучением кристаллических материалов. В них, например, показывалось, как коэффициент Пуассона со временем может из отрицательного стать положительным. Другие исследования были сосредоточены на фазовых переходах в кристаллах. Например, под воздействием температуры кубическая кристаллическая решетка могла превращаться в параллелепипед, и в ходе этого перехода при определенных температурах наблюдался отрицательный коэффициент Пуассона, то есть проявлялась ауксетичность.

В 1987 г. американский ученый Родерик Лейкс в эксперименте впервые получил полимерные пены с ауксетическими свойствами, а позже были получены и металлические ауксетические пены. Именно с этого момента началось целенаправленное развитие таких материалов.

Любопытно, что незадолго до этого, в 1985 году, произошло событие, напоминающее историю с изобретением радио Гульельмо Маркони и А.С. Поповым. Две научные группы — одна на Западе, а другая в России — практически одновременно опубликовали работы, в которых было показано, что конструкция, собранная из вогнутых шестиугольников, проявляет ауксетические свойства. То есть если растягивать такой образец, он будет расширяться в поперечном сечении. Это открытие дало старт новому направлению — проектированию ауксетических конструкций.

Советская работа была опубликована в журнале «Прикладная математика и механика», и я считаю ее более качественной и фундаментальной, чем западная. Хотя та, безусловно, также поднимала интересные вопросы — например, автор исследовал, при каких условиях коэффициент Пуассона может достигать значения минус единицы, что считается теоретическим пределом для изотропных материалов.

А в 1991 г. вышла работа, демонстрирующая возможность создания ауксетических композитов, которые получают, армируя обычный материал волокнами под определенными углами.

На данный момент класс ауксетических материалов очень широк: это кристаллы, композиты и специальные конструкции. Более того, в таблице Менделеева около четверти материалов ― ауксетики. Это удивительно, но надо понимать, какой критерий объединяет такие материалы: они должны быть бездефектными монокристаллами. Например, ауксетики ― это такие известные материалы, как литий, натрий, железо, никель, золото и платина.

― То есть они проявляют ауксетические свойства в естественном состоянии до того, как из них искусственно сформируют какую-то структуру?

― Да, если мы возьмем образец без дефектов и начнем растягивать его при определенных условиях, проявляются такие свойства. Здесь важно отметить ключевую особенность: ауксетичность зависит от направления воздействия. Например, если растягивать кристаллический материал с объемноцентрированной кубической структурой вдоль граней куба (вверх-вниз), то ауксетичность не проявится, но если приложить усилие по диагонали, то материал начнет расширяться в поперечном направлении.

Возвращаясь к вопросу о распространенности: как я уже говорил, около четверти элементов таблицы Менделеева могут быть ауксетиками. Кроме того, существует известный справочник, в котором собраны экспериментальные данные упругих констант для 2 тыс. материалов. Анализ показывает, что около 450 из них, тоже около четверти, обладают ауксетическими свойствами.

― Почему исследования ауксетиков сегодня называют одним из ключевых направлений? Например, в докладе РАН о важнейших достижениях российских ученых за 2024 г. выделены отдельные работы в этой области…

― Эта область науки все еще требует активного развития: многие вопросы и в области фундаментальных причин проявления ауксетических свойств, и в области их применения до сих пор не исследованы и не до конца понятны. Что касается направлений развития, то здесь можно выделить несколько основных путей. Во-первых, это продолжение исследований кристаллов, в том числе с помощью компьютерного моделирования. Интересным примером служат углеродные материалы, фуллериты — кристаллы, в узлах решетки которых находятся не атомы, а молекулы фуллерена в виде сфер. Они также демонстрируют ауксетичность.

Во-вторых, это создание искусственных конструкций, так называемых метаматериалов, которым можно заранее придать определенные или уникальные физические или механические свойства. Получить новые кристаллические материалы очень сложно, но проектировать конструкции из известных материалов гораздо проще, особенно с распространением 3D-печати, которая позволяет легко изготавливать сложные образцы из пластика и испытывать их.

Это позволяет разрабатывать интересную геометрию материалов. Например, структурам можно придать свойство хиральности (хиральность — это свойство объекта или молекулы быть несовместимым со своим зеркальным отражением, как правая и левая руки). При сжатии такая конструкция начнет дополнительно закручиваться и, соответственно, иначе перераспределять энергию.

Этим и интересны метаматериалы: возможно создавать конструкции с заданными механическими свойствами для конкретных практических задач. Благодаря их свойству сопротивляться продавливанию эти материалы можно использовать, например, для создания матрасов нового поколения. Обычный матрас, даже если его регулярно переворачивать, слеживается. Но если изготовить наполнитель из пены с ауксетическими свойствами, изделие будет служить гораздо дольше. Это актуально для лежачих больных. Конечно, пока это теория ― технологию необходимо развивать и исследовать.

Другое перспективное направление — защитные конструкции. Пока рано говорить о создании пуленепробиваемой брони, так как ауксетический эффект часто проявляется в относительно мягких материалах. Однако для защиты от осколков или камней, например для экранирования батареи в автомобиле, это вполне реализуемо. Не исключено, что в будущем появятся и металлические ауксетические материалы для брони, но сегодня классические решения остаются более эффективными. Хотя в этой области все может быстро измениться.

― Но где-то на улице мы уже можем увидеть изделия, которые, хоть и неочевидно, но основаны на ауксетических свойствах?

― До технологического применения такие материалы еще широко не дошли, однако попытки найти им применение ведутся в разных областях. Например, я видел отдельные образцы тканей, которыми покрывают спортивную обувь: пока не совсем понятно, дает ли это хоть какое-то преимущество, но, по крайней мере, такие кроссовки уже существуют.

Интересно, что наука и искусство часто развиваются параллельно. Несколько лет назад в Англии дизайнер, вдохновившись свойствами ауксетиков, спроектировал одежду, внешний вид которой напоминает костюмы из научно-фантастических фильмов. Ее практический смысл в том, что ребенку можно купить костюм, который по мере его роста будет увеличиваться. Дошло ли это до производства, я не знаю, но отдельные проекты и предложения уже существуют.

― В упомянутом докладе РАН о важнейших достижениях российских ученых ауксетики рассматриваются и как материалы для определенных медицинских целей…

― Да, такие разработки ведутся. Одно из перспективных направлений — создание стентов. В нашей лаборатории, например, был изготовлен подобный прототип, однако требуются дальнейшие исследования, в том числе на биологических объектах.

Чем интересны ауксетические стенты? Конструкция любого стента разрабатывается так, чтобы он раскрывался именно в том участке сосуда или желчного протока, где происходит сжатие. Ауксетики позволяют добиться более значительного раскрытия сосуда. Однако здесь возникает другая, пока не решенная проблема: вместе с расширением такой стент также немного удлиняется. А это может быть опасно: когда стент устанавливают в месте сосуда, где располагается бляшка, его удлинение способно ее буквально «срезать». Соответственно, необходимо разрабатывать такие дизайны стентов, которые при расширении удлинялись бы минимально.

Кроме того, предпринимаются попытки создания бандажных накладок на основе ауксетиков, но неизвестно, дошли ли они до практического применения.

В научной литературе также встречаются весьма смелые предложения, например замена межпозвоночных дисков на ауксетические материалы. К подобным идеям я пока отношусь скептически. Если природой был создан орган с положительным коэффициентом Пуассона, то зачем менять его на материал с отрицательным? Возможно, в этом есть какой-то выигрыш, но я сомневаюсь.

― В последнее время активно развивается направление цифрового материаловедения. Могут ли цифровые технологии помочь в развитии ауксетиков?

― Исследования в этой области обязательно помогут ученым, однако для этого необходимо продолжать накапливать и анализировать данные. Как я уже упоминал, существует оцифрованный справочник, содержащий упругие константы для 2 тыс. различных материалов. Используя его, мы можем исследовать уникальные свойства материалов на больших выборках.

При этом остаются нерешенными фундаментальные вопросы. Например, почему ауксетичность вообще проявляется в кристаллических материалах? В искусственных конструкциях мы можем объяснить это геометрией, но в случае кристаллов требуются более глубокие объяснения.

Интересно, что здесь прослеживаются важные параллели. В кристаллах ауксетичность часто связана с наличием слабых химических связей. Эта закономерность отражается и в проектировании конструкций: если конструкция «мягкая», то ауксетические свойства будут проявляться, но в жесткой ― нет. Таким образом, принципы, которые мы наблюдаем в кристаллических материалах, можно переносить на инженерные конструкции.

С накоплением данных цифровые технологии помогут эффективнее находить такие закономерности.

― Ученые каких направлений объединяются, исследуя ауксетики?

― Мы преимущественно сотрудничаем с организациями, занимающимися механическими исследованиями. Интересно узнать, как материалы ведут себя при разных нагрузках: растяжении, проникновении, индентировании. В перспективе мы бы хотели исследовать и акустические свойства таких структур и ищем коллег для совместной работы.

В нашей лаборатории мы проводим и теоретические изыскания, в том числе с помощью компьютерных технологий, используя метод конечных элементов. Конструкция разбирается на отдельные элементы, и мы оцениваем, как они деформируются.

С коллегами из лаборатории углеродных материалов Института проблем сверхпластичности металлов РАН в Уфе мы пытаемся создавать ауксетики на основе углеродных наноматериалов с помощью молекулярной динамики. Оказывается, что такие материалы проявляют ауксетические свойства.

Помимо теории, мы проводим испытания реальных образцов. С исследованиями кристаллических материалов есть сложность — требуется найти партнеров, которые могут их выращивать, что не всегда возможно. Исследования кристаллических ауксетиков мы проводим с коллегами из Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН из Черноголовки. Мы приобрели 3D-принтер и теперь можем самостоятельно проектировать и изготавливать конструкции для экспериментов. Если изначально мы работали с геометрическими конструкциями, описанными в научной литературе, то сегодня проектируем новые формы для интересных задач.

Интервью подготовлено при поддержке Российской академии наук