Частицы в форме скрепок продемонстрировали уникальное сочетание твёрдости и гибкости
Материаловеды и инженеры из Университета Колорадо в Боулдере создали новый материал, вдохновлённый прочностью запутанного клубка канцелярских скрепок. Разработка, описанная в журнале Journal of Applied Physics, представляет собой систему сцепляющихся частиц, которые могут формировать жёсткие конструкции, а затем под воздействием вибрации или целенаправленного движения возвращаться в россыпь отдельных элементов.
Сложность разделения перепутанного металла, например обычных офисных скрепок, заинтересовала исследователей и натолкнула их на мысль о применении подобного принципа в перерабатываемом строительстве. Подобные техники существуют и в природе — птицы переплетают найденные предметы для создания прочных гнёзд, защищающих потомство.
На уровне частиц такое взаимодействие называется «запутыванием» и является относительно новым направлением в материаловедении. Как отметил профессор Франсуа Бартела, руководитель Лаборатории передовых материалов и биоинспирации, учёные много лет экспериментировали с геометрией строительных блоков, но к изучению запутанных частиц приступили лишь недавно, и их вдохновляет комбинация свойств, которую удаётся получить в таких системах.
Хотя запутывание естественным образом встречается в природе — например, в костях, где мягкие белки и твёрдые минералы переплетаются друг с другом, — искусственное создание таких структур требует точного понимания механизмов взаимодействия. Ключевым фактором, как выяснила команда, является форма частиц: гладкие выпуклые песчинки не могут сцепляться друг с другом, тогда как изменение геометрии радикально влияет на механические свойства и способность частиц соединяться.
Исследователи провели серию компьютерных моделей, чтобы определить оптимальную форму для запутывания, и остановились на конфигурации, удивительно напоминающей скрепку с двумя ножками. После успешных цифровых испытаний команда изготовила частицы в реальном мире и проверила их поведение в практических условиях.
Выяснилось, что разработанная форма обладает неожиданными преимуществами. Традиционные материалы обычно требуют компромисса между вязкостью и прочностью на разрыв: высоковязкие материалы, способные поглощать большие объёмы энергии, часто оказываются хрупкими и не выдерживают растяжения. Однако частицы, напоминающие скрепки, продемонстрировали одновременно высокие показатели обоих свойств.
Кроме того, учёные обнаружили, что различные вибрационные режимы меняют степень сцепления частиц: лёгкая вибрация заставляла их соединяться в жёсткую структуру, а сильная — распутывала в рыхлую массу отдельных элементов. Как отмечают авторы, материал не требует связующего вещества, поэтому частицы можно быстро собирать в бесконечное множество форм и перенастраивать механическими воздействиями.
По словам профессора Бартела, это странный материал — он не является жидкостью, но и не вполне твёрдый, что открывает новые инженерные возможности. Разработчики также подчёркивают, что фундаментальное понимание запутывания может найти применение в биологических структурах, «живой» запутанной материи, роботизированных материалах и коллоидных сборках.
Исследование в журнале Journal of Applied Physics.