Простой пучок канцелярских скрепок демонстрирует удивительное физическое свойство: в зависимости от способа обращения он может быть жестким или податливым.Плотный пучок скрепок ведет себя непредсказуемо. Потяните за него — и спутанный металл станет твердым. Потрясите — и он рассыплется на части.
Это явление вдохновило инженеров из Колорадского университета на создание новых материалов. Вместо традиционных блоков или химических связей они изучают системы из маленьких частиц особой формы, которые могут соединяться и разъединяться по команде.
«Мы давно экспериментируем с идеей строительных блоков, но недавно начали изучать запутанные частицы, — говорит профессор Франсуа Бартела. — Мы восхищены их свойствами и верим в большой потенциал этой технологии».
Исследование, опубликованное в Journal of Applied Physics, посвящено «запутанности» — процессу, когда частицы переплетаются.
Многие природные структуры прочны благодаря соединению элементов. Например, птичье гнездо состоит из переплетенных веток, а прочность костей зависит от взаимодействия минералов и белков.Вопрос в том, как воспроизвести этот эффект в искусственных материалах. По мнению команды Бартела, ключевую роль играет форма частиц.
«Песчинки гладкие и не сцепляются, но, изменив их форму, можно повлиять на их свойства, — говорит аспирант Юхан Сон. — Мы вычислили, какая геометрия обеспечит максимальную запутанность».
Испытания показали, что частица в форме скобы с двумя "ножками" лучше всего сцепляется. Этот материал сочетает прочность и ударную вязкость, а также легко собирается и разбирается.
«Это необычный материал, не жидкость и не совсем твердый, — говорит Бартела. — Он открывает новые возможности для инженерии».
Перспективные области применения — экология и робототехника. Из таких материалов можно строить здания и мосты, которые можно разобрать и использовать повторно. Они также могут применяться в роевой робототехнике, где роботы объединяются для выполнения задачи. Сейчас исследователи продолжают совершенствовать подход, тестируя новые конструкции частиц с дополнительными "ножками".