Persistently Auxetic Materials: Engineering the Poisson Ratio of 2D Self-Avoiding Membranes under Conditions of Non-Zero Anisotropic Strain

辅助 泊松比 材料科学 泊松分布 抗弯刚度 曲率 各向异性 刚度(电磁) 弹性(物理) 复合材料 凝聚态物理 几何学 数学 物理 光学 化学 统计 生物化学
作者
Zachary W. Ulissi,Ananth Govind Rajan,Michael S. Strano
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:10 (8): 7542-7549 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsnano.6b02512
摘要

Entropic surfaces represented by fluctuating two-dimensional (2D) membranes are predicted to have desirable mechanical properties when unstressed, including a negative Poisson's ratio ("auxetic" behavior). Herein, we present calculations of the strain-dependent Poisson ratio of self-avoiding 2D membranes demonstrating desirable auxetic properties over a range of mechanical strain. Finite-size membranes with unclamped boundary conditions have positive Poisson's ratio due to spontaneous non-zero mean curvature, which can be suppressed with an explicit bending rigidity in agreement with prior findings. Applying longitudinal strain along a singular axis to this system suppresses this mean curvature and the entropic out-of-plane fluctuations, resulting in a molecular-scale mechanism for realizing a negative Poisson's ratio above a critical strain, with values significantly more negative than the previously observed zero-strain limit for infinite sheets. We find that auxetic behavior persists over surprisingly high strains of more than 20% for the smallest surfaces, with desirable finite-size scaling producing surfaces with negative Poisson's ratio over a wide range of strains. These results promise the design of surfaces and composite materials with tunable Poisson's ratio by prestressing platelet inclusions or controlling the surface rigidity of a matrix of 2D materials.
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