Команда инженеров из Университета Колорадо в Боулдере недавно продемонстрировала новый тип материала с научно-фантастическим оттенком: запутанную систему частиц, состоящую из мелких частиц особой формы, которые могут свободно переключаться между «твердым целым» и «рыхлой жидкостью». Исследователей вдохновила пара обычных офисных скоб. Когда большое количество скоб спутано в клубок, при вытягивании они будут сопротивляться внешним силам, как единое целое. Однако при определенной вибрации или встряхивании они быстро расшатываются и превращаются в груду отдельных металлических полос.

Это явление побудило исследователей переосмыслить подходы к дизайну материалов: вместо использования традиционных монолитных твердых тел или химических связей, начиная с геометрических форм, использовать большое количество мелких частиц, которые можно «соединить» друг с другом, чтобы построить общую структуру посредством физического переплетения, и в то же время иметь возможность быстро распадаться, когда это необходимо. «Мы играли с конфигурациями и геометриями в течение многих лет, но только недавно мы начали серьезно изучать взаимосвязанные, запутанные частицы», — сказал профессор Франсуа Бартела, руководитель проекта и директор Лаборатории современных материалов и биоинспирации. «Эта система может демонстрировать уникальный набор сочетаний характеристик, и мы считаем, что она имеет большой простор для инженерного воображения».

Исследование, опубликованное в Журнале прикладной физики, называет это явление «запутыванием» — процессом, посредством которого частицы запутываются друг с другом и образуют структурные связи. Подобные принципы известны в природе: прочность птичьих гнезд зависит от переплетения ветвей и волокон, а кости основаны на соединении жестких минералов и мягких белков для достижения баланса механических свойств. Инженерная задача заключается в воспроизведении этого эффекта «взаимосвязывания» в искусственных материалах контролируемым образом.

Команда Бартела считает, что ключ лежит в геометрии частиц. «В качестве примера возьмем песок. Поверхность зерен песка гладкая, а общая форма выпуклая. Добиться истинного сцепления между частицами практически невозможно», — объяснил докторант Юхан Сон. «Но если мы изменим форму «песчинки», ее макроскопическое поведение и механические свойства радикально изменятся, включая способность запутываться и сцепляться с другими частицами».

Поняв, что форма является ключевым фактором, исследователи использовали моделирование Монте-Карло, вычислительный метод, чтобы предсказать взаимодействия между частицами различной формы и найти геометрические конструкции, которые обеспечивают наивысшую степень запутанности. Затем они проверили результаты моделирования с помощью серии «тестов на пикап», чтобы увидеть, как вновь разработанные частицы ведут себя во время фактической сборки, подъема и вибрации.

Эксперимент наконец дал неожиданный, но чрезвычайно простой ответ: «двуногие» частицы, похожие на скобы, проявили сильнейшую склонность к сцеплению. После укладки большого количества частиц в такую ​​форму система может быть плотно переплетена, образуя единое целое, а также может быть разрыхлена и диспергирована при определенных условиях.

Такая конструкция обеспечивает несколько важных преимуществ в производительности, одним из которых является редкое сочетание высокой прочности и ударной вязкости. В традиционных материалах высокая прочность часто сопровождается увеличением хрупкости, а высокая вязкость часто означает снижение прочности; однако этот материал с переплетенными частицами, состоящий из «штапельных частиц», имеет хорошие характеристики как по прочности на разрыв, так и по ударной вязкости. доктор философии Студент Саид Пезешки отметил: «Наш материал с переплетенными частицами использует эти штапельные частицы для поддержания высокой прочности и при этом демонстрирует превосходную ударную вязкость».

Еще одним важным преимуществом является быстрая сборка и обратимая разборка системы. Исследовательская группа точно настроила степень взаимодействия между частицами, изменив режим вибрации, применяемый к груде частиц: мягкие вибрации низкой интенсивности помогают частицам медленно «просверливаться» в зазоры между собой, образуя более плотные запутывания и улучшая общую прочность; в то время как более сильные вибрации разрушат исходное состояние контакта, вызывая распад структуры и возвращение частиц в сыпучее зернистое состояние.

«Это очень странный материал. Очевидно, что это не жидкость, но его нельзя просто классифицировать как твердое вещество», — сказал Бартела. «Это открывает новые возможности для инженерного проектирования. Когда вы на самом деле манипулируете таким шаром запутанных частиц руками, возникает странное и сюрреалистическое ощущение».

Среди потенциальных направлений применения важным сценарием является устойчивая архитектура. Исследовательская группа предполагает, что будущие здания и мосты могут частично использовать этот материал из переплетенных частиц в качестве конструкции или наполнителя: в период эксплуатации они обладают хорошей несущей способностью; а когда строительная задача завершена или срок службы конструкции заканчивается, их можно разобрать целиком, чтобы реализовать повторное использование и переработку компонентов или частиц.

Робототехника — еще один возможный путь. Пезешки рассказал, что в обсуждениях с другими студентами он считал, что эту материальную концепцию можно распространить на «роевую робототехнику»: большое количество маленьких роботов переплетаются друг с другом посредством формы и конструкции механизмов и объединяются в более крупные и сложные структуры при выполнении задач; после выполнения задачи они распутываются друг с другом и расходятся для выполнения новых инструкций.

В качестве метафоры Бартела использовал знакомый научно-фантастический образ — аналог жидкометаллического робота Т-1000 в фильме «Терминатор 2»: он может «сжижаться» в жидкое состояние в небольшом пространстве и проходить сквозь препятствия, а на другой стороне может вновь конденсироваться в законченную форму. «Конечно, стоимость этой технологии в настоящее время очень высока, и существует еще много проблем для ее крупномасштабного применения, но это то направление, на которое обращают внимание многие исследователи», — сказал он.

В настоящее время команда все еще продолжает оптимизировать эту систему материалов и пробует более сложные конструкции частиц, например, добавляя дополнительные выступающие «ноги» или «крючки», чтобы сделать частицы чем-то похожими на колючие трибулусы, которые обычно встречаются на одежде. Ожидается, что этот тип многовыступающей конструкции еще больше усилит эффект запутывания и улучшит стабильность и возможность регулировки всей конструкции.