Wyobraź sobie taką sytuację

Masz garść zwykłych metalowych spinaczy do dokumentów. Wrzucasz je do torby, potrząsasz... i nagle ta куча pojedynczych spinaczy zamienia się w jeden solidny, niemal niezniszczalny kawałek. Ciągniesz za niego, szarpiiesz — a on trzyma się razem, jakby był zespawany.

A potem dajesz mu inne potrząśnięcie i wszystko... rozpada się. Z powrotem wraca do postaci zwykłych, niegroźnych spinaczy.

Brzmi jak magia, prawda? No to researchers z University of Colorado Boulder właśnie zamienili to w rzeczywistość. I powiem ci szczerze — nie mogę przestać o tym myśleć.

Gdzie tkwi sekret? Kształt ma znaczenie

I tutaj robi się naprawdę ciekawie. Zespół prowadzony przez profesora Francoisa Barthelata (który kieruje czymś called the Laboratory for Advanced Materials & Bioinspiration — jaka nazwa, prawda?) od jakiegoś czasu bada, jak kształt maleńkich cząstek wpływa na to, co się dzieje, gdy zbierzemy ich miliardy w jednym miejscu.

Weźmy piasek. Każde ziarenko jest gładkie i zaokrąglone, trochę jak maleńka kulka. Kiedy wsypujesz piasek do wiadra, ziarenka nie zaczepiają się o siebie — po prostu ślizgają się wzajemnie. Dlatego piasek zachowuje się jak ciecz, gdy go przesypujesz.

A co jeśli zmienilibyśmy kształt tych ziarenek?

Naukowcy użyli symulacji komputerowych, żeby przetestować tysiące różnych kształtów. Szukali takiego, który maksymalizuje to, co naukowcy nazywają "splątaniem" (ang. entanglement). I zwycięzca? Kształt dwunożny, który wygląda podejrzanie jak... spinacz do papieru.

Tak, te same małe metalowe klipsy, których używasz do składania dokumentów.

Dlaczego cząstki w kształcie spinaczy są niesamowite

Kiedy miliardy takich maleńkich cząstek w kształcie spinaczy jest splątanych razem, dzieje się coś magicznego. Przeplatają się wzajemnie w skomplikowany sposób, tworząc sieć połączeń, która sprawia, że cała masa jest zaskakująco wytrzymała.

"Splątany materiał ziarnisty z użyciem cząstek przypominających spinacze wykazuje jednocześnie wysoką wytrzymałość i odporność na zniszczenie" — wyjaśnił doktorant Saeed Pezeshki.

Tu jest haczyk: wytrzymałość i odporność to zwykle przeciwieństwa. Weźmy szkło: jest wytrzymałe (trudno je złamać), ale nieodporne (rozbija się łatwo). Guma jest odporna (pochłania uderzenia), ale niezbyt wytrzymała. Osiągnięcie obu naraz jest naprawdę rzadkie w przyrodzie.

Ale te materiały z cząstek-spinaczy? Rzekomo radzą sobie z obiema właściwościami jednocześnie. To duża sprawa.

Prawdziwa sztuczka: odwracalność

A tutaj robi się naprawdę interessująco.

Te materiały mogą być odwracane.

Przyłóż delikatne wibracje do bryły — i spinacze zaczepiają się jeszcze mocniej, materiał staje się silniejszy. Zwiększ wibracje — i cała sieć się rozplątuje, wraca do luźnej zbieraniny pojedynczych cząstek.

W sekundach. Ze stałego do sypkiego. I z powrotem.

Profesor Barthelat powiedział, że trzymanie tych materiałów sprawia wrażenie "bardzo odległych i egzotycznych". Co jest, szczerze mówiąc, idealnym sposobem, żeby to opisać. To nie do końca ciecz, nie do końca ciało stałe. Coś pomiędzy — coś, co może przełączać się między stanami zależnie od prostego bodźca.

Gdzie mogłoby się to przydać?

Zastosowania są naprawdę ekscytujące, kiedy zaczynasz się nad nimi zastanawiać.

Zrównoważone budownictwo: Wyobraź sobie budowanie mostu lub budynku z materiałów, które można by rozbierać zamiast burzyć. Te materiały z cząstek-spinaczy mogłyby potencjalnie być demontowane i używane ponownie po zakończeniu życia. Bez kulek wyburzeniowych. Wystarczy odpowiednie wibracje, żeby wszystko się rozpadło i można było wykorzystać materiały gdzie indziej. To całkiem przekonująca wizja bardziej zrównoważonego inżynierowania.

Robotyka rojowa: Jeden z badaczy wspomniał o rozmowach z kolegami, którzy uważają, że ta technologia mogłaby być używana w robotach, które splatają się ze sobą, żeby wykonywać zadania, a potem rozplątują się po ich zakończeniu.

"Rozmawiałem ze studentami, którzy uważają, że ta technologia może być używana w robotyce rojowej — gdzie małe roboty mogą się splątywać, wykonywać zadanie, a potem rozplątywać się po jego zakończeniu" — powiedział Pezeshki.

Zauważył też, że to brzmi trochę jak T-1000 z Terminatora 2 — robot z ciekłego metalu, który mógł zamienić się w ciecz, żeby prześlizgnąć się pod drzwiami i odzyskać formę po drugiej stronie. (Uwielbiam, że w prawdziwej pracy naukowej prawdopodobnie ktoś w pewnym momencie wspomniał o Terminatorze.)

Natura robiła to przez cały czas

Oto co sprawia, że te badania są jeszcze bardziej fascynujące: splątanie nie jest żadnym nowomodnym ludzkim wynalazkiem. Natura wykorzystywała tę zasadę przez miliony lat.

Gniazda ptaków to doskonały przykład. Każda gałązka i włókno są słabe osobno, ale splecione razem tworzą zaskakująco solidną konstrukcję. Twoje kości działają tak samo — twarde mineralne elementy splątane z miększymi białkami tworzą coś, co jest jednocześnie silne i elastyczne.

Zespół z CU Boulder zasadniczo odwrócił ten proces, ustalił, jaki kształt bloku budulcowego sprawdza się najlepiej — i teraz patrzymy na potencjalne projektowanie materiałów o tych samych właściwościach.

Podsumowując

Jeszcze pewnie minie sporo czasu, zanim zobaczymy tę technologię w prawdziwych budynkach czy robotach. Ale fundamentalne odkrycie — że cząstki w kształcie spinaczy mogą tworzyć materiały z tą niezwykłą kombinacją wytrzymałości, odporności i odwracalności — jest naprawdę istotne.

Czasami najbardziej rewolucyjne materiały nie pochodzą od egzotycznych chemikaliów czy skomplikowanych procesów produkcyjnych. Czasami pochodzą od przemyślenia czegoś tak prostego jak kształt bloku budulcowego.

I szczerze? Nie mogę się doczekać, co z tego wyjdzie.