Плотная кучка офисных скрепок обладает удивительным свойством. Несмотря на то, что она состоит из множества отдельных элементов, ее часто трудно разобрать — она ведет себя почти как единый твердый объект. Однако такая же кучка может легко распасться на отдельные детали.
Источник: «Mail.ru Hi-Tech».
Автор новостей
Специалисты Университета Колорадо в Боулдере считают, что эта необычная комбинация прочности и обратимости может лечь в основу нового поколения инженерных материалов. Разрабатывая частицы, которые сцепляются подобно скрепкам, они надеются создать материалы, которые будут одновременно прочными, адаптивными и потенциально пригодными для повторного использования.
«Мы много лет изучали идею строительных блоков и геометрии, но начали рассматривать сцепленные, запутанные частицы только недавно, — говорит руководитель Лаборатории передовых материалов и биовдохновения, профессор Франсуа Бартела. — Нас вдохновляет комбинация свойств, которую мы можем получить из этих систем, и мы верим, что у этой технологии есть потенциал для развития во многих направлениях».
Исследование сосредоточено на явлении запутанности, которое возникает, когда частицы переплетаются и формируют связи друг с другом. Запутанность широко распространена в природе: птичьи гнезда по сути являются сетью переплетенных веток и волокон для поддержания структуры, кости приобретают прочность благодаря взаимодействию твердых минеральных компонентов и более мягких белков.
Ученые хотели понять, как похожие принципы можно использовать для создания искусственных материалов. В ходе исследования они обнаружили один критический фактор: форму самих частиц. «Возьмем песок в качестве примера. Частицы песка гладкие и выпуклой формы, что означает, что они не могут сцепляться друг с другом, — объясняет аспирант Йохан Сон. — Однако мы обнаружили, что если изменить форму песчинки, мы можем радикально повлиять на ее поведение и механические свойства, включая способность частицы связываться с другими частицами».
Используя компьютерное моделирование методом Монте-Карло, авторы работы изучили, как взаимодействуют частицы разных форм. После тестирования выяснилось, что «двуногая» частица, напоминающая канцелярскую скрепку, создает наивысшую степень запутанности. «Наш запутанный гранулярный материал, состоящий из частиц, похожих на скрепки, демонстрирует одновременно высокую прочность и вязкость», — отмечает аспирант Саид Пезешки.
Частицы также проявили необычные свойства: они могли быстро собираться в более прочную структуру, а затем так же быстро разделяться. Применяя разные схемы вибрации, ученые контролировали степень запутанности. «Мы получили удивительный материал, потому что он явно не жидкость. Однако он и не совсем твердый. Это открывает новые интригующие инженерные возможности», — говорит Бартела.
Технология может найти применение в более эффективном строительстве: здания и мосты можно будет разбирать, а не сносить, с последующей переработкой материалов. Возможно также использование таких материалов в роевой робототехнике, где маленькие роботы могут сцепляться для выполнения задачи, а затем разделяться.
Авторы работы уже переходят к следующему этапу, тестируя частицы с дополнительными выступающими «шипами», похожие на плоды репейника, которые могут создавать еще более прочное сцепление.
Ранее физики создали «невозможный» металл для технологий будущего.
