Μια σφιχτά συμπιεσμένη δέσμη συνδετήρων γραφείου μπορεί να συμπεριφέρεται με εκπληκτικό τρόπο. Αν και αποτελείται από πολλά ξεχωριστά κομμάτια, η μπερδεμένη μάζα μπορεί να είναι δύσκολο να διαχωριστεί και μπορεί να λειτουργήσει σχεδόν σαν ένα ενιαίο στερεό αντικείμενο.
Ωστόσο, η ίδια δέσμη μπορεί γρήγορα να αναιρεθεί. Με την κατάλληλη δόνηση ή κίνηση, οι συνδετήρες μπορούν να διαχωριστούν και να επιστρέψουν σε μια χαλαρή συλλογή μεμονωμένων κομματιών.
Paul M. του CU Boulder. Ερευνητές στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Rady πιστεύουν ότι αυτός ο ασυνήθιστος συνδυασμός αντοχής και ανθεκτικότητας θα μπορούσε να βοηθήσει να εμπνεύσει μια νέα γενιά κατασκευασμένων υλικών. Σχεδιάζοντας σωματίδια που αλληλοσυνδέονται με τον ίδιο τρόπο όπως τα συνδετικά, ελπίζουν να δημιουργήσουν υλικά που είναι ισχυρά, προσαρμόσιμα και δυνητικά ανακυκλώσιμα.
«Παίζουμε με την ιδέα των δομικών λίθων και γεωμετριών για πολλά χρόνια, αλλά μόλις πρόσφατα αρχίσαμε να εξετάζουμε αλληλένδετα, μπερδεμένα σωματίδια», δήλωσε ο καθηγητής Francois Berthelat, επικεφαλής του Εργαστηρίου Προηγμένων Υλικών και Βιοέμπνευσης. «Είμαστε ενθουσιασμένοι με τον συνδυασμό χαρακτηριστικών που μπορούν να προκύψουν από αυτά τα συστήματα και πιστεύουμε ότι αυτή η τεχνολογία έχει δυνατότητες να πάει σε πολλές κατευθύνσεις».
Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν πρόσφατα Journal of Applied Physics.
Πώς τα μπερδεμένα σωματίδια δημιουργούν ενέργεια
Η έρευνα επικεντρώνεται σε ένα φαινόμενο γνωστό ως εμπλοκή, το οποίο συμβαίνει όταν τα σωματίδια συμπλέκονται και συνδέονται μεταξύ τους.
Η διαπλοκή είναι κοινή σε όλη τη φύση. Για παράδειγμα, οι φωλιές πουλιών βασίζονται σε ένα δίκτυο συνυφασμένων κλαδιών και ινών για να διατηρήσουν τη δομή τους. Τα οστά αποκτούν δύναμη μέσω της αλληλεπίδρασης σκληρών μεταλλικών στοιχείων και μαλακών πρωτεϊνών.
Η ομάδα του CU Boulder ήθελε να κατανοήσει πώς θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν παρόμοιες αρχές για τη δημιουργία τεχνικών υλικών. Η δουλειά τους έδειξε έναν σημαντικό παράγοντα: το σχήμα των σωματιδίων.
“Ας πάρουμε την άμμο ως παράδειγμα. Η άμμος είναι λεία και έχει κυρτό σχήμα, που σημαίνει ότι δεν μπορεί να συνδέσει κόκκους με κόκκους”, λέει ο φοιτητής διδάκτορας Yuhan Sohn. «Ωστόσο, διαπιστώσαμε ότι αν αλλάξουμε το σχήμα ενός κόκκου άμμου, μπορούμε να επηρεάσουμε δραστικά τη συμπεριφορά και τις μηχανικές του ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητας του σωματιδίου να συνδέεται με άλλα σωματίδια».
Για να διερευνήσουν περαιτέρω, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις Monte Carlo, μια υπολογιστική τεχνική που τους επιτρέπει να μελετήσουν πώς αλληλεπιδρούν διαφορετικά μεγέθη σωματιδίων. Ο στόχος τους ήταν να εντοπίσουν μια γεωμετρία που θα μεγιστοποιούσε την εμπλοκή.
Γιατί ξεχωρίζουν τα σωματίδια σε σχήμα συρραπτικού;
Αφού εντόπισε πολλά υποσχόμενα σχέδια μέσω προσομοιώσεων, η ομάδα διεξήγαγε δοκιμές pickup για να παρατηρήσει πώς συμπεριφέρονταν τα σωματίδια σε πραγματικές συνθήκες.
Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν ότι ένα σωματίδιο με «δύο πόδια», παρόμοιο με ένα κεφάλι, παρήγαγε τον υψηλότερο βαθμό εμπλοκής. Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι αυτό το σχήμα προσφέρει πολλά απροσδόκητα πλεονεκτήματα.
Ένα από τα πιο αξιοσημείωτα ήταν η ικανότητα συνδυασμού αντοχής σε εφελκυσμό και ακαμψίας, δύο ιδιότητες που συχνά είναι δύσκολο να επιτευχθούν μαζί σε συμβατικά υλικά.
«Το κολλημένο κοκκώδες υλικό μας που χρησιμοποιεί σωματίδια που μοιάζουν με συνδετήρες παρουσιάζει υψηλή αντοχή και ακαμψία ταυτόχρονα», δήλωσε ο φοιτητής διδάκτορας Saeed Pejeshki.
Τα κύρια σωματίδια παρουσίασαν επίσης μια άλλη ασυνήθιστη ιδιότητα. Μπορούν γρήγορα να ενωθούν σε μια ισχυρή δομή και στη συνέχεια γρήγορα να χωριστούν ξανά.
Εφαρμόζοντας διαφορετικά μοτίβα δόνησης, οι ερευνητές μπόρεσαν να ελέγξουν πόσο έντονα κόλλησαν τα σωματίδια. Οι απαλές δονήσεις ενθαρρύνουν τα σωματίδια να συμπλέκονται και να ενισχύουν το υλικό, ενώ οι ισχυροί κραδασμοί ξετυλίγουν το δίκτυο.
“Είναι ένα περίεργο υλικό γιατί σαφώς δεν είναι υγρό. Ωστόσο, δεν είναι επίσης αρκετά στερεό. Ανοίγει νέες και συναρπαστικές δυνατότητες μηχανικής”, είπε ο Barthelat. «Η διαχείριση μιας δέσμης από αυτά τα μπερδεμένα σωματίδια φαίνεται πολύ τραβηγμένη και εξωτική».
Πιθανές χρήσεις στις κατασκευές και τη ρομποτική
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η τεχνολογία θα μπορούσε τελικά να υποστηρίξει πιο βιώσιμες μεθόδους κατασκευής.
Στο μέλλον, γέφυρες, κτίρια και άλλες μεγάλες κατασκευές μπορεί να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας συγκολλημένα υλικά που μπορούν να διαχωριστούν αντί να αποσυναρμολογηθούν αργότερα. Τέτοια υλικά μπορούν ενδεχομένως να επαναχρησιμοποιηθούν ή να ανακυκλωθούν πλήρως στο τέλος της ζωής τους.
Η ιδέα μπορεί να έχει εφαρμογές και στη ρομποτική.
«Μίλησα με άλλους μαθητές που πιστεύουν ότι αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στη ρομποτική σμήνος — όπου τα μικρά ρομπότ μπορούν να κάνουν παρέα, να κάνουν μια εργασία και μετά να κλείσουν όταν τελειώσουν», είπε ο Pejeshki.
«Ναι, όπως το υγρό μέταλλο T-1000 στο Terminator 2 που μπορεί να αλλάξει σχήμα για να γλιστρήσει κάτω από μια πόρτα και στη συνέχεια να μετατραπεί σε ανθρώπινη μορφή στην άλλη πλευρά», πρόσθεσε ο Berthelat. «Είναι δαπανηρό και μια πρόκληση να κλιμακωθείς, αλλά είναι κάτι που είναι στο μυαλό όλων».
Δοκιμάζοντας ακόμη και γερά σχέδια σωματιδίων
Η ομάδα περνά τώρα στην επόμενη φάση της έρευνας.
Τα τελευταία τους πειράματα επικεντρώνονται σε ένα νέο σχέδιο σωματιδίων που περιλαμβάνει επιπλέον επιμήκη «πόδια». Οι ερευνητές παρομοιάζουν το σχήμα με αιχμηρά γρέζια που προσκολλώνται πεισματικά σε παπούτσια και ρούχα εξωτερικού χώρου. Πιστεύουν ότι αυτές οι πρόσθετες ιδιότητες θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ισχυρότερα εφέ εμπλοκής και να ξεκλειδώσουν νέες δυνατότητες για μελλοντικά υλικά.