Странный материал из канцелярских скоб может становиться прочным или рассыпаться за секунды

Плотно сжатая пачка канцелярских скоб может вести себя неожиданным образом. Несмотря на то, что она состоит из множества отдельных частей, спутанная масса с трудом поддается разрыву и действует почти как единый твердый объект.

Однако та же самая пачка может быстро распасться. При правильной вибрации или движении скобы разделяются и возвращаются в состояние рыхлого набора отдельных элементов.

Исследователи из Инженерного отдела имени Пола М. Рэди в Университете Колорадо в Боулдере (CU Boulder) считают, что это необычное сочетание прочности и обратимости может вдохновить на создание нового поколения engineered-материалов. Разрабатывая частицы, которые сцепляются подобно скобам, они надеются создать материалы, которые будут прочными, адаптируемыми и потенциально пригодными для вторичной переработки.

«Мы много лет играли с идеей строительных блоков и геометрии, но начали изучать сцепляющиеся, запутанные частицы только недавно, — рассказал профессор Франсуа Бартела, руководитель Лаборатории перспективных материалов и биоинспирации. — Мы взволнованы сочетанием свойств, которые можем получить от этих систем, и считаем, что у этой технологии есть потенциал для развития во многих направлениях».

Результаты исследования были недавно опубликованы в Journal of Applied Physics.

В основе исследования лежит явление, известное как запутывание, которое возникает, когда частицы переплетаются и образуют связи друг с другом. Запутывание широко распространено в природе. Например, птичьи гнезда держатся за счет сети переплетенных веточек и волокон. Кости также обретают прочность благодаря взаимодействию твердых минеральных компонентов и более мягких белков.

Команда из CU Boulder хотела понять, как подобные принципы можно использовать для создания искусственных материалов. Их работа указала на один решающий фактор: форму самих частиц.

«Возьмем, к примеру, песок. Песок гладкий и выпуклый, то есть песчинки не могут сцепляться друг с другом, — сказал аспирант Юхан Сон. — Однако мы обнаружили, что если изменить форму песчинки, можно кардинально повлиять на ее поведение и механические свойства, включая способность частицы соединяться с другими частицами».

Для дальнейшего изучения исследователи использовали моделирование методом Монте-Карло, вычислительную технику, которая позволила им изучить, как взаимодействуют частицы разной формы. Их целью было определить геометрию, которая максимизирует запутывание.

После выявления многообещающих конструкций с помощью моделирования команда провела тесты на подъем, чтобы понаблюдать за поведением частиц в реальных условиях. Результаты показали, что «двуногая» частица, напоминающая скобу, обеспечивает наивысшую степень запутывания. Исследователи также обнаружили, что эта форма дает несколько неожиданных преимуществ. Одним из наиболее заметных стала способность сочетать прочность на разрыв и вязкость — два свойства, которые часто трудно достичь вместе в обычных материалах.

«Наш запутанный гранулированный материал с частицами в форме скоб демонстрирует одновременно высокую прочность и вязкость», — заявил аспирант Саид Пезешки.

Частицы в форме скоб также проявили еще одну необычную характеристику: они могли быстро собираться в более прочную структуру и так же быстро разделяться обратно. Применяя различные режимы вибрации, исследователи могли контролировать, насколько сильно частицы запутываются. Легкая вибрация способствовала сцеплению частиц и упрочнению материала, в то время как более сильная вибрация приводила к распаду сети.

«Это странный материал, потому что он, очевидно, не жидкость. Однако он и не совсем твердое тело. Это открывает новые интригующие инженерные возможности, — сказал Бартела. — Обращение со связкой таких запутанных частиц ощущается как нечто очень далекое и экзотическое».

Исследователи полагают, что эта технология в конечном итоге может поддержать более устойчивые подходы к строительству. В будущем мосты, здания и другие крупные сооружения можно будет строить из запутанных материалов, которые впоследствии можно разобрать, а не сносить. Такие материалы потенциально можно будет повторно использовать или полностью перерабатывать по окончании срока службы.

Концепция также может найти применение в робототехнике.

«Я разговаривал с другими студентами, которые считают, что эту технологию можно использовать в роевой робототехнике — где маленькие роботы могут сцепляться, выполнять задачу, а затем расцепляться, когда работа сделана», — сказал Пезешки.

«Да, вроде того жидкометаллического T-1000 из „Терминатора 2", который может менять форму, чтобы проскользнуть под дверью, а затем снова принять человеческий размер по другую сторону, — добавил Бартела. — Это дорого, и масштабирование является проблемой, но это то, о чем все думают».

Сейчас команда переходит к следующему этапу исследования. Их последние эксперименты сосредоточены на новой конструкции частиц, которая включает дополнительные выступающие «ножки». Исследователи сравнивают эту форму с колючими репейниками, которые цепко цепляются за обувь и одежду на улице. Они считают, что эти дополнительные элементы могут создать еще более сильные эффекты запутывания и открыть новые возможности для будущих материалов.