Kumuloituva voima: Tutkijat kehittivät materiaalin, joka muuttuu välillä kiinteäksi, välillä notkeaksi — pelkän ravistelun avulla

Oletko koskaan miettinyt, miksi jotkut asiat ovat vahvoja mutta hauraita, kun taas toiset joustavat mutta taipuvat helposti?

Tähän saattaa olla tulossa muutos.

Kuvittele tämä

Ota kourallinen niittejä — niitä pieniä metallipidikkeitä, joilla kiinnität papereita yhteen. Laita ne pussiin, ravista kerran tai kaksi. Ja sitten tapahtuu jotain, mikä kuulostaa taikuudelta: yksittäiset niitit muuttuvat yhdeksi kiinteäksi möykkyksi. Voit vetää siitä, nykiä sitä, eikä se hajoa. Se pysyy kasassa kuin hitsattuna.

Ravista uudestaan eri tavalla — ja koko roska hajoaa. Palaa takaisin yksittäisiksi, harmittomiksi metallinpätkiksi.

Näennäistä taikuutta? No, Colorado Boulderin yliopiston tutkijat tekivät juuri tämän todeksi. Ja heidän tutkimuksensa on kiehtova.

Salaisuus piilee muodossa

Professori Francois Barthelatin johtama ryhmä tutki, miten pienten hiukkasten muoto vaikuttaa siihen, mitä tapahtuu, kun niitä on miljardeja kappaleita yhdessä.

Hiekka on hyvä esimerkki. Jokainen hiekanjyvä on pyöreä ja sileä. Kun kaadat hiekkaa, jyvät vain liukuvat toisiaan vasten. Siksi hiekka käyttäytyy kuin nestettä.

Mutta entä jos muuttaisit jyvästen muotoa?

Tutkijat käyttivät tietokonesimulaatioita testatakseen tuhansia erilaisia muotoja. He etsivät sellaista, joka maksimoisi hiukkasten tarttumisen toisiinsa — tieteellisesti sanottuna "kietoutumisen" (entanglement).

Voittaja? Kaksi-jalkainen muoto, joka näyttää hämmästyttävän paljon... niitiltä.

Miksi tämä toimii?

Kun miljardeja näitä pieniä niittimäisiä hiukkasia on sekaisin keskenään, tapahtuu jotain mielenkiintoista. Ne kiinnittyvät toisiinsa monimutkaisilla tavoilla, luoden verkoston, joka tekee koko massasta yllättävän vahvan.

"Dynaamisesti kietoutuneet rakeiset materiaalit, jotka käyttävät niittimäisiä hiukkasia, osoittavat samanaikaisesti sekä korkeaa lujuutta että sitkeyttä," selitti tohtoriopiskelija Saeed Pezeshki.

Tässä piilee koko juttu: lujuus ja sitkeys ovat yleensä vastakohtia. Lasi on lujaa mutta särkyy helposti. Kumi taipuu mutta ei kestä painetta. Molempien saaminen yhtä aikaa on äärimmäisen harvinaista.

Näillä niittihiukkasilla se onnistuu.

Todellinen temppu: käännettävyys

Ja sitten asia, joka on todella ällistyttävä.

Nämä materiaalit voi peruuttaa.

Kun lisäät materiaaliin hellävaraisia tärinöitä, niitit kietoutuvat tiukemmin yhteen ja materiaali vahvistuu. Lisää tärinää — ja koko verkosto purkautuu, palaa takaisin irrallisiksi hiukkasiksi.

Sekunneissa. Kiinteästä notkeaksi. Ja takaisin.

Professori Barthelat kuvaili materiaalin koskettamista "hyvin kaukaiseksi ja eksoottiseksi". Täydellinen kuvaus, oikeastaan. Ei oikein neste, ei oikein kiinteä. Jotain siltä väliltä.

Mitä tästä voisi seurata?

Sovelluksia alkaa helposti keksiä.

Kestävä rakentaminen: Kuvittele silta tai rakennus, jonka materiaalit voi purkaa välissä olevan tärinän avulla. Ei purkutöitä, ei romutusta. Vain oikeanlaisia tärinöitä, ja kaikki irtoaa toisistaan käytettäväksi uudelleen. Houkutteleva visio kestävämmästä suunnittelusta.

Parvirakettitutkimus: Tutkijat ovat keskustelleet kollegoiden kanssa mahdollisuudesta käyttää tätä roboteissa, jotka voivat kietoutua yhteen tehtävän suorittamiseksi ja sitten erota, kun homma on tehty.

Pezeshki mainitsi jopa Terminator 2:n T-1000-klassikon — nestemäisen metallirobotin, joka voi sulaa itsensä oven ali ja muovata itsensä uudelleen toisella puolella. (Rakastan ajatusta, että joku oikeassa tieteellisessä artikkelissa mainitsi Terminatorin.)

Luonto keksi tämän jo kauan sitten

Tämä tutkimus on vieläkin kiinnostavampi, kun huomaa: kietoutuminen ei ole ihmisten keksintö. Luonto on käyttänyt samaa periaatetta miljoonia vuosia.

Linnunpesä on loistava esimerkki. Jokainen risu ja kuitu on heikko yksinään, mutta yhdessä ne muodostavat yllättävän tukevan rakenteen. Sama pätee luihin: kovat mineralit sekoittuvat pehmeämpiin proteiineihin ja syntyy jotain sekä vahvaa että kestävää.

CU Boulderin tiimi käytännössä purki tämän periaatteen osiin, selvitti, mikä muoto toimii parhaiten, ja nyt voimme mahdollisesti suunnitella materiaaleja samoin ominaisuuksin.

Kaiken ydin

Olemme todennäköisesti vuosien päässä siitä, että näemme tätä teknologiaa oikeissa rakennuksissa tai roboteissa. Mutta peruslöydös — että niitin muotoiset hiukkaset voivat luoda materiaaleja, joilla on tämä poikkeuksellinen yhdistelmä lujuutta, sitkeyttä ja käännettävyyttä — on aidosti merkittävä.

Joskus mullistavimmat materiaalit eivät tule eksoottisista kemikaaleista tai monimutkaisista valmistusprosesseista. Joskus ne tulevat siitä, ettäajatella rakennuspalikan muotoa uusiksi.

Ja rehellisesti? Odotan innolla, mihin tämä johtaa.

Lähde: ScienceDaily