Tenk deg dette

Du har noen små stiftemetalldeler. De du bruker til å sette sammen papirer. Du kaster dem i en pose, rister litt — og vips, så har du plutselig en solid, sammenhengende klump. Du kan dra i den, slide i den, og ingenting skjer. Den holder sammen som om den er sveist.

Så rister du på en annen måte, og hele greia faller fra hverandre. Tilbake til uskyldige små stifter.

Virker som magi, ikke sant? Vel, forskere ved University of Colorado Boulder har nettopp gjort dette til virkelighet. Og jeg kan rett og slett ikke slutte å tenke på det.

Hemmeligheten: Formen

Det er her det blir interessant. Teamet, ledet av professor Francois Barthelat (som driver Laboratory for Advanced Materials & Bioinspiration — hvor kult er ikke det navnet?), har undersøkt hvordan formen til bittesmå partikler påvirker hva som skjer når du samler milliarder av dem sammen.

Tenk på sand. Hvert sandkorn er glatt og rundt, som en miniatyrkule. Når du heller sand sammen, låser det seg ikke — kornene gli bare forbi hverandre. Derfor flyter sand som en væske.

Men hva om du endret formen på de kornene?

Forskerne brukte datasimuleringer til å teste tusenvis av ulike former. De lette etter én som kunne maksimere det forskerne kaller "entanglement" — sammensverting. Og vinneren? En tobeint form som mistenkelig minner om... en stift.

Ja, akkurat de små metallklipsene som holder papirene dine sammen.

Hvorfor stiftformede partikler er ganske fantastiske

Når milliarder av disse små stiftformede partiklene flokes sammen, skjer det noe magisk. De hekter seg inn i hverandre på komplekse måter og lager et nettverk av forbindelser som gjør hele massen overraskende sterk.

"Entangled granular material using the staple-like particle demonstrates both high strength and toughness at the same time," forklarte doktorgradsstudent Saeed Pezeshki.

Her er greia: styrke og seighet er vanligvis motsatser. Tenk på glass: det er sterkt (vanskelig å knekke), men ikke seigt (det knuser lett). Gummi er seigt (kan absorbere støt), men ikke spesielt sterkt. Å få begge deler samtidig er sjeldent i naturen.

Men dette materialet? Det får til begge deler samtidig. Det er en stor avtale.

Den virkelige partytricket: Reversibilitet

Og her blir det skikkelig kult.

Disse materialene kan reverseres.

Påfør milde vibrasjoner, og stiftene hekter seg tettere sammen — materialet blir sterkere. Skru opp vibrasjonene, og hele nettverket løser seg opp. Tilbake til løse, enkelte partikler.

På sekunder. Fra solid til fritt. Og tilbake igjen.

Professor Barthelat beskrev det å holde disse materialene som å føle seg "very remote and exotic." Og det er egentlig en perfekt beskrivelse. Det er verken helt væske eller helt fast stoff. Det er noe midt imellom — noe som kan bytte tilstand basert på en enkel input.

Så hva kan vi faktisk bruke dette til?

Anvendelsene er ganske spennende når du begynner å tenke på dem.

Bærekraftig bygging: Tenk deg at du bygger en bro eller en bygning med materialer som kan plukkes fra hverandre i stedet for å rives. Disse stiftpartikkel-materialene kan kanskje demonteres og gjenbrukes når levetiden er over. Ingen rivningskule trengs. Bare de rette vibrasjonene for å skille alt så du kan bruke materialene andre steder. Det er en ganske overbevisende visjon for mer bærekraftig ingeniørkunst.

Sverm-robotikk: En av forskerne nevnte at kolleger tror dette kan brukes til roboter som floker seg sammen for å utføre oppgaver, og deretter løsner når de er ferdige.

"I was talking with other students who believe this technology can be used in swarm robotics — where small robots can entangle, do a task and then disentangle when they are done," sa Pezeshki.

Han påpekte til og med at dette minner litt om T-1000 fra Terminator 2 — roboten av flytende metall som kunne forvandle seg til væske for å gli under dører og omdanne seg igjen på andre siden. (Jeg elsker at et ekte vitenskapelig paper sannsynligvis hadde noen som nevnte Terminator på et tidspunkt.)

Naturen har holdt på med dette hele tiden

Her er noe som gjør denne forskningen enda mer fascinerende: sammensvinging er ingen ny menneskelig oppfinnelse. Naturen har brukt dette prinsippet i millioner av år.

Fuglereir er et perfekt eksempel. Hver kvist og fiber er svak alene, men vevd sammen skaper de overraskende stabile strukturer. Beina dine fungerer på samme måte — harde mineraler floket sammen med mykere proteiner skaper noe som er både sterkt og seigt.

CU Boulder-teamet har i praksis reversert denne prosessen, funnet ut hvilken byggeblokk-form som fungerer best, og nå ser vi på muligheten for å konstruere materialer med de samme egenskapene.

Konklusjonen

Vi er nok fortsatt år unna å se denne teknologien i ekte bygninger eller roboter. Men den grunnleggende oppdagelsen — at stiftformede partikler kan skape materialer med denne bemerkelsesverdige kombinasjonen av styrke, seighet og reversibilitet — er genuint betydningsfull.

Noen ganger kommer de mest revolusjonerende materialene ikke fra eksotiske kjemikalier eller komplekse produksjonsprosesser. Noen ganger kommer de fra å tenke nytt om noe så enkelt som formen til en byggeblokk.

Og ærlig talt? Jeg gleder meg til å se hvor dette tar veien.

Kilde: ScienceDaily