Punktem wyjścia dla badań było proste, acz intrygujące zjawisko. Gdy zbierze się dużą liczbę metalowych zszywek i pozwoli im się ze sobą splątać, tworzą strukturę, która zachowuje się jak ciało stałe: jest odporna na rozciąganie i trudno ją rozerwać. Jednocześnie wystarczy odpowiedni ruch lub wibracja, by całość niemal natychmiast się rozpadła i odzyskała sypką formę. To właśnie ta niezwykła kombinacja sztywności i płynności stała się inspiracją dla zespołu badawczego.
Czytaj też: Te hamulce pachną motorsportem bardziej niż większość rowerowych premier
Nowy materiał opiera się na zjawisku splątania, w ramach którego ma miejsce fizyczne zazębianie się cząstek o odpowiednim kształcie. W naturze podobne mechanizmy można zaobserwować choćby w ptasich gniazdach czy strukturze kości, gdzie elementy łączą się w sposób zapewniający zarówno wytrzymałość, jak i elastyczność. Naukowcy postanowili odtworzyć ten efekt w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, wykorzystując cząstki zaprojektowane tak, aby mogły się o siebie zahaczać.
Najważniejszym aspektem okazał się kształt tych elementów. Zamiast klasycznych, gładkich ziaren – takich jak piasek – badacze stworzyli cząstki przypominające miniaturowe zszywki z dwiema “nogami”. Symulacje komputerowe typu Monte Carlo pozwoliły określić, jaka geometria zapewnia największy stopień splątania. Następnie badacze przeprowadzili eksperymenty, które potwierdziły, że właśnie taki kształt daje wyjątkowe właściwości mechaniczne.
Efekt końcowy zaskoczył samych zainteresowanych. Powstały materiał łączy w sobie cechy, które rzadko występują jednocześnie: wysoką wytrzymałość na rozciąganie oraz dużą odporność na uszkodzenia. Co więcej, jego właściwości można dynamicznie zmieniać. Delikatne wibracje powodują silniejsze zazębianie się cząstek i zwiększenie sztywności, natomiast intensywniejsze drgania prowadzą do szybkiego rozplątania struktury i jej rozpadu.
To sprawia, iż nowy materiał zachowuje się w sposób trudny do jednoznacznego sklasyfikowania. Nie jest ani klasycznym ciałem stałym, ani cieczą, lecz czymś pomiędzy – stanem, który naukowcy porównują do ciekłego metalu. Można go formować, wzmacniać lub rozkładać na żądanie, co zapewnia zupełnie nowe możliwości w projektowaniu konstrukcji.
Czytaj też: Nie uwierzysz, jak wykorzystali drewno. Teraz taka drewniana ściana zetnie rachunki
A nie chodzi przecież tylko o sam fakt stworzenia takiego materiału, lecz jego potencjalne zastosowania. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków jest budownictwo. Konstrukcje wykonane z takich struktur mogłyby być nie tylko wyjątkowo trwałe, ale dodatkowo łatwe do demontażu i ponownego wykorzystania, co znacząco wpłynęłoby na zrównoważony rozwój oraz ograniczenie powstawania odpadów.
Równie interesujące są możliwości w robotyce. Materiały o kontrolowanej strukturze splątania mogłyby posłużyć do tworzenia układów zdolnych do zmiany kształtu, łączenia się w większe jednostki lub rozdzielania na mniejsze elementy w zależności od potrzeb. Badacze podkreślają, że może to mieć znaczenie zwłaszcza w rozwoju robotów modułowych i robotyki rojowej.
Źródło: Journal of Applied Physics
