Ένα απλό πακέτο από συνδετήρες αποκαλύπτει μια ασυνήθιστη συμπεριφορά, η οποία μεταβάλλεται μεταξύ ακαμψίας και ρευστότητας ανάλογα με τον τρόπο χειρισμού του.
Μια πυκνή μάζα από συνδετήρες γραφείου μπορεί να συμπεριφερθεί με απρόσμενο τρόπο. Αν την τραβήξετε, το μπερδεμένο μέταλλο αντιστέκεται σαν ένα άκαμπτο αντικείμενο. Αν όμως την ανακινήσετε με τον σωστό τρόπο, ξαφνικά χαλαρώνει και καταρρέει σε ξεχωριστά κομμάτια.
Αυτή η ασυνήθιστη συμπεριφορά ενέπνευσε τους μηχανικούς στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Μπόλντερ να επανεξετάσουν τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζονται τα υλικά από το μηδέν. Αντί να βασίζονται σε παραδοσιακούς συμπαγείς όγκους ή χημικούς δεσμούς, εξερευνούν συστήματα κατασκευασμένα από μικρά, ειδικά διαμορφωμένα σωματίδια που «αγκιστρώνονται» φυσικά το ένα στο άλλο, αλλά μπορούν επίσης να διαχωριστούν κατόπιν εντολής.
«Πειραματιζόμαστε με την ιδέα των δομικών στοιχείων και της γεωμετρίας εδώ και πολλά χρόνια, αλλά αρχίσαμε να εξετάζουμε τα αλληλοσυνδεόμενα, μπλεγμένα σωματίδια μόλις πρόσφατα», δήλωσε ο καθηγητής Francois Barthelat, επικεφαλής του Εργαστηρίου Προηγμένων Υλικών & Βιοέμπνευσης. «Είμαστε ενθουσιασμένοι με τον συνδυασμό ιδιοτήτων που μπορούμε να αντλήσουμε από αυτά τα συστήματα και πιστεύουμε ότι αυτή η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να εξελιχθεί προς πολλές κατευθύνσεις».
Μαθαίνοντας από το «μπλέξιμο» στη φύση
Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Journal of Applied Physics, επικεντρώνεται σε αυτό που η ομάδα ονομάζει «εμπλοκή», μια διαδικασία όπου τα σωματίδια περιπλέκονται μεταξύ τους και σχηματίζουν συνδέσεις.
Αυτή η ιδέα δεν είναι καινούργια. Πολλές φυσικές δομές βασίζονται σε αλληλοσυνδεόμενα στοιχεία για να αποκτήσουν αντοχή. Μια φωλιά πουλιού, για παράδειγμα, είναι χτισμένη από πλεγμένα κλαδιά και ίνες, ενώ τα οστά εξαρτώνται από την αλληλεπίδραση μεταξύ σκληρών ορυκτών και μαλακότερων πρωτεϊνών.
Η πρόκληση έγκειται στο πώς θα αναπαραχθεί αυτό το φαινόμενο σε τεχνητά υλικά. Σύμφωνα με την ομάδα του Barthelat, η απάντηση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το σχήμα των σωματιδίων.
Το παράδειγμα της άμμου
«Ας πάρουμε την άμμο ως παράδειγμα. Η άμμος είναι λεία και έχει κυρτό σχήμα, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορεί να αλληλοσυνδεθεί από κόκκο σε κόκκο», δήλωσε ο διδακτορικός φοιτητής Youhan Sohn. «Ωστόσο, διαπιστώσαμε ότι αν αλλάξουμε το σχήμα ενός κόκκου άμμου, μπορούμε να επηρεάσουμε δραστικά τη συμπεριφορά και τις μηχανικές του ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητας του σωματιδίου να συνδέεται με άλλα».
Από την προσομοίωση στην πράξη
Αφού προσδιόρισαν αυτόν τον βασικό παράγοντα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις Monte Carlo – μια υπολογιστική μέθοδο – για να προβλέψουν πώς θα αλληλεπιδρούσαν διαφορετικά σχήματα. Στόχος τους ήταν να προσδιορίσουν ποια γεωμετρία θα παρήγαγε το υψηλότερο επίπεδο εμπλοκής.
Στη συνέχεια, πραγματοποίησαν δοκιμές ανύψωσης (pickup tests) για να παρατηρήσουν πώς συμπεριφέρονταν αυτά τα σωματίδια στην πράξη.
Τα πειράματα υπέδειξαν μια απλή αλλά αποτελεσματική λύση. Ένα σωματίδιο με «δύο σκέλη», σε σχήμα παρόμοιο με έναν συνδετήρα, παρουσίασε την ισχυρότερη τάση για αλληλοσύνδεση. Αυτός ο σχεδιασμός αποκάλυψε επίσης αρκετά απροσδόκητα οφέλη. Ένα από αυτά ήταν ένας σπάνιος συνδυασμός εφελκυστικής αντοχής και σκληρότητας – ένα ζευγάρωμα που είναι δύσκολο να επιτευχθεί με συμβατικά υλικά.
«Το μπλεγμένο κοκκώδες υλικό μας, που χρησιμοποιεί το σωματίδιο σε σχήμα συνδετήρα, επιδεικνύει ταυτόχρονα υψηλή αντοχή και σκληρότητα», δήλωσε ο διδακτορικός φοιτητής Saeed Pezeshki.
Ένα άλλο πλεονέκτημα ήταν η ταχύτητα με την οποία το υλικό μπορούσε να συναρμολογηθεί και να αποσυναρμολογηθεί. Εφαρμόζοντας διαφορετικά μοτίβα δόνησης, οι ερευνητές μπορούσαν να ελέγξουν πόσο σφιχτά συνδέονταν τα σωματίδια μεταξύ τους. Οι ήπιες δονήσεις ενθάρρυναν την εμπλοκή και αύξαναν την αντοχή, ενώ οι ισχυρότερες δονήσεις προκαλούσαν τη διάλυση της δομής.
«Είναι ένα περίεργο υλικό γιατί προφανώς δεν είναι υγρό. Ωστόσο, δεν είναι και ακριβώς στερεό. Αυτό ανοίγει νέες και ενδιαφέρουσες μηχανικές δυνατότητες», είπε ο Barthelat. «Ο χειρισμός μιας δέσμης αυτών των μπλεγμένων σωματιδίων δίνει μια αίσθηση πολύ απόμακρη και εξωτική».
Μελλοντικές εφαρμογές και πιθανότητες
Ένας πολλά υποσχόμενος τομέας είναι η βιωσιμότητα. Η ομάδα οραματίζεται κτίρια και γέφυρες κατασκευασμένες από αυτά τα υλικά, τα οποία θα μπορούσαν να αποσυναρμολογηθούν όταν δεν θα είναι πλέον απαραίτητα και να επαναχρησιμοποιηθούν ή να ανακυκλωθούν.
Ενδέχεται επίσης να υπάρξουν εφαρμογές στη ρομποτική. «Συζητούσα με άλλους φοιτητές που πιστεύουν ότι αυτή η τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη ρομποτική σμήνους – όπου μικρά ρομπότ μπορούν να εμπλέκονται μεταξύ τους, να εκτελούν μια εργασία και στη συνέχεια να αποσυνδέονται όταν τελειώνουν», δήλωσε ο Pezeshki.
«Ναι, κάπως σαν το υγρό μέταλλο T-1000 στην ταινία Terminator 2, που μπορεί να αλλάζει σχήμα για να γλιστράει κάτω από μια πόρτα και μετά να μετασχηματίζεται ξανά σε ανθρώπινο μέγεθος στην άλλη πλευρά», πρόσθεσε ο Barthelat. «Είναι ακριβό και η κλιμάκωση της παραγωγής αποτελεί πρόκληση, αλλά είναι κάτι που βρίσκεται στο μυαλό όλων».
Προς το παρόν, οι ερευνητές συνεχίζουν να εξελίσσουν την προσέγγισή τους. Δοκιμάζουν νέα σχέδια σωματιδίων με επιπλέον προεξέχοντα «πόδια», παρόμοια με τα αγκαθωτά κολλιτσίδια που προσκολλώνται στα ρούχα, τα οποία ενδέχεται να δημιουργήσουν ακόμη ισχυρότερα φαινόμενα εμπλοκής.
