Плотно сжатый пучок офисных скрепок может вести себя неожиданно. Хотя он состоит из множества отдельных деталей, спутанная масса иногда почти не хочет распадаться и выглядит как единый твёрдый объект.
Но стоит изменить движение или добавить нужную вибрацию — и тот же самый пучок может быстро развалиться обратно на отдельные скрепки.
Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере считают, что это странное сочетание прочности и обратимости может вдохновить на создание нового поколения материалов. Идея в том, чтобы проектировать частицы, которые сцепляются друг с другом примерно как скрепки.
Так можно получить материалы, которые будут прочными, адаптивными и потенциально пригодными для повторного использования.
Профессор Франсуа Бартела, руководитель Лаборатории передовых материалов и биовдохновения, рассказал, что его команда много лет изучала строительные блоки и геометрию. Но частицами, которые сцепляются и запутываются между собой, они начали заниматься относительно недавно.
По его словам, исследователей заинтересовало необычное сочетание свойств таких систем. Они считают, что у этой технологии может быть много направлений развития.
Результаты работы опубликованы в Journal of Applied Physics.
Как запутанные частицы создают прочность
В центре исследования — явление, которое называют сцеплением или запутыванием. Оно возникает, когда частицы переплетаются и образуют связи друг с другом.
В природе такое встречается часто. Например, птичьи гнёзда держатся благодаря сети переплетённых веток и волокон. А кости получают прочность за счёт взаимодействия твёрдых минеральных компонентов и более мягких белков.
Команда из Университета Колорадо хотела понять, можно ли использовать похожие принципы для создания искусственных материалов. Ключевым фактором оказалась форма самих частиц.
Аспирант Юхан Сон объяснил это на примере песка. Песчинки гладкие и выпуклые, поэтому они не могут цепляться друг за друга. Но если изменить форму «песчинки», её поведение и механические свойства могут резко измениться — включая способность связываться с другими частицами.
Чтобы изучить это подробнее, исследователи использовали моделирование Монте-Карло. Этот вычислительный метод позволил им проверить, как взаимодействуют частицы разной формы. Цель была простой: найти геометрию, которая даёт максимальное сцепление.
Почему форма скрепки оказалась особенно удачной
После моделирования команда провела практические тесты и посмотрела, как частицы ведут себя в реальных условиях.
Лучше всего проявила себя «двуногая» частица, похожая на скрепку. Она давала самый высокий уровень сцепления. Но на этом сюрпризы не закончились.
Такой материал смог одновременно показать высокую прочность на растяжение и ударную вязкость. В обычных материалах эти свойства часто сложно совместить.
Аспирант Саид Пезешки отметил, что гранулированный материал из частиц, похожих на скрепки, демонстрирует и высокую прочность, и высокую вязкость одновременно.
Ещё одна необычная особенность — способность быстро собираться в более прочную структуру и так же быстро распадаться.
Исследователи управляли этим с помощью разных типов вибрации. Мягкие вибрации помогали частицам лучше сцепляться и усиливали материал. Более сильные вибрации, наоборот, распутывали сеть.
Бартела назвал такой материал странным: это явно не жидкость, но и не совсем твёрдое тело. По его словам, работа с пучком таких запутанных частиц ощущается очень необычно и открывает новые инженерные возможности.
Где это может пригодиться
Исследователи считают, что в будущем технология может помочь сделать строительство более устойчивым.
Например, мосты, здания и другие крупные конструкции можно будет строить из материалов, которые позже получится разобрать, а не разрушать. После окончания срока службы такие материалы потенциально можно будет использовать повторно или полностью переработать.
Ещё одно возможное направление — робототехника.
Пезешки рассказал, что обсуждал эту идею с другими студентами. По их мнению, технология может пригодиться в ройной робототехнике: маленькие роботы смогут сцепляться, выполнять задачу, а затем снова разделяться.
Бартела сравнил эту идею с жидкометаллическим T-1000 из «Терминатора 2», который мог менять форму, просачиваться под дверью, а затем снова превращаться в фигуру человеческого размера. Он отметил, что это дорого и масштабирование остаётся сложной задачей, но сама идея уже интересует многих.
Следующий шаг — ещё более цепкие частицы
Команда уже переходит к следующему этапу исследования.
Сейчас учёные тестируют новую форму частиц с дополнительными выступающими «ножками». Они сравнивают её с колючими репейниками, которые цепляются к обуви и одежде на улице.
Исследователи считают, что такие дополнительные элементы могут создать ещё более сильный эффект сцепления и открыть новые возможности для материалов будущего.
