أظهر فريق هندسي من جامعة كولورادو بولدر مؤخرًا نوعًا جديدًا من المواد ذات طابع الخيال العلمي: نظام جسيمات متشابك يتكون من جزيئات صغيرة ذات أشكال خاصة يمكنها التبديل بحرية بين "الكل الصلب" و"السائل السائب". استلهم الباحثون من زوج من المواد الأساسية المكتبية العادية. عندما يتشابك عدد كبير من الدبابيس في كرة، فإنها ستقاوم القوى الخارجية ككل عند سحبها. ومع ذلك، عند اهتزازها أو اهتزازها بطريقة معينة، فإنها ستتفكك بسرعة وتنهار في كومة من الأشرطة المعدنية المنفصلة.
وقد دفعت هذه الظاهرة الباحثين إلى إعادة التفكير في مناهج تصميم المواد: فبدلاً من استخدام المواد الصلبة المتجانسة التقليدية أو الروابط الكيميائية، بدءاً من الأشكال الهندسية، باستخدام عدد كبير من الجزيئات الصغيرة التي يمكن "ربطها" ببعضها البعض لبناء هيكل شامل من خلال التشابك الفيزيائي، وفي الوقت نفسه تكون قادرة على التفكك بسرعة عند الحاجة. وقال البروفيسور فرانسوا بارتيلات، قائد المشروع ومدير مختبر المواد المتقدمة والإلهام الحيوي: "لقد كنا نلعب بالتكوينات والأشكال الهندسية لسنوات عديدة، ولكننا بدأنا في الآونة الأخيرة فقط في دراسة الجسيمات المتشابكة والمتشابكة بجدية". "يمكن لهذا النظام أن يعرض مجموعة فريدة جدًا من مجموعات الأداء، ونعتقد أن لديه مساحة كبيرة للخيال الهندسي."
الدراسة، التي نشرت في مجلة الفيزياء التطبيقية، تسمي هذه الظاهرة "التشابك" - العملية التي تتشابك بها الجسيمات مع بعضها البعض وتشكل روابط هيكلية. والمبادئ المماثلة مألوفة في الطبيعة: تعتمد أعشاش الطيور على تشابك الفروع والألياف للحصول على القوة، وتعتمد العظام على الاقتران بين المعادن الصلبة والبروتينات الناعمة لتحقيق توازن الخواص الميكانيكية. ويكمن التحدي الهندسي في إعادة إنتاج هذا التأثير "المتشابك" في المواد الاصطناعية بطريقة يمكن التحكم فيها.
ويعتقد فريق بارثيلات أن المفتاح يكمن في هندسة الجسيمات. وأوضح طالب الدكتوراه يوهان سون: "خذ الرمال كمثال. سطح حبيبات الرمل أملس والشكل العام محدب. ويكاد يكون من المستحيل تحقيق تشابك حقيقي بين الجزيئات". "ولكن إذا قمنا بتغيير شكل "حبة الرمل"، فإن سلوكها العياني وخصائصها الميكانيكية سوف تتغير بشكل جذري، بما في ذلك القدرة على التشابك والتشابك مع الجسيمات الأخرى."
وبعد إدراك أن الشكل هو عامل رئيسي، استخدم الباحثون محاكاة مونت كارلو، وهي طريقة حسابية، للتنبؤ بالتفاعلات بين الجسيمات ذات الأشكال المختلفة وإيجاد تصميمات هندسية تنتج أعلى درجة من التشابك. ثم قاموا بالتحقق من صحة نتائج المحاكاة من خلال سلسلة من "اختبارات الالتقاط" لمعرفة كيفية تصرف الجزيئات المصممة حديثًا أثناء التجميع الفعلي والرفع والاهتزاز.
أعطت التجربة أخيرًا إجابة غير متوقعة ولكنها بسيطة للغاية: أظهرت الجسيمات "ذات الساقين" المشابهة للدبابيس أقوى ميل للتشابك. بعد تكديس عدد كبير من الجزيئات في هذا الشكل، يمكن أن يتشابك النظام بإحكام ليشكل كليًا، ويمكن أيضًا فكه وتشتيته في ظل ظروف معينة.
يوفر هذا التصميم العديد من مزايا الأداء المهمة، أحدها هو المزيج النادر بين القوة العالية والمتانة العالية. في المواد التقليدية، غالبًا ما تكون القوة العالية مصحوبة بزيادة في الهشاشة، في حين أن المتانة العالية غالبًا ما تعني انخفاضًا في القوة؛ ومع ذلك، فإن هذه المادة الجزيئية المتشابكة المكونة من "جسيمات أساسية" تؤدي أداءً جيدًا في كل من قوة الشد والمتانة. دكتوراه. وأشار الطالب سعيد بيزشكي: "تستخدم مادة الجسيمات المتشابكة هذه الجسيمات الأساسية للحفاظ على قوة عالية مع إظهار صلابة ممتازة."
الميزة الرئيسية الأخرى هي التجميع السريع والتفكيك العكسي للنظام. قام فريق البحث بضبط درجة التشابك بين الجسيمات عن طريق تغيير وضع الاهتزاز المطبق على كومة الجسيمات: تساعد الاهتزازات اللطيفة ومنخفضة الشدة الجسيمات على "الحفر" ببطء في الفجوات بين بعضها البعض، وتشكيل تشابكات أكثر إحكامًا، وتحسين القوة الإجمالية؛ في حين أن الاهتزازات القوية ستؤدي إلى تعطيل حالة التلامس الأصلية، مما يتسبب في تفكك الهيكل وعودة الجزيئات إلى حالة حبيبية حرة التدفق.
وقال بارثيلات: "هذه مادة غريبة للغاية. من الواضح أنها ليست سائلة، لكن لا يمكن تصنيفها ببساطة على أنها مادة صلبة". "هذا يفتح بابًا جديدًا للتصميم الهندسي. عندما تتلاعب فعليًا بهذه الكرة من الجسيمات المتشابكة بيديك، سيكون هناك شعور غريب وسريالي."
ومن بين اتجاهات التطبيق المحتملة، تعد الهندسة المعمارية المستدامة سيناريو مهمًا. ويتصور فريق البحث أن المباني والجسور المستقبلية يمكن أن تستخدم جزئيًا مادة الجسيمات المتشابكة هذه كهيكل أو وحدة تعبئة: خلال فترة الخدمة، تتمتع بقدرة تحمل جيدة؛ وعندما تكتمل مهمة البناء أو تنتهي الحياة الهيكلية، يمكن تفكيكها ككل لتحقيق إعادة استخدام وإعادة تدوير المكونات أو الجزيئات.
الروبوتات هي طريق آخر ممكن. كشف بيزشكي أنه في المناقشات مع الطلاب الآخرين، كان يعتقد أن هذا المفهوم المادي يمكن أن يمتد إلى "روبوتات السرب": يتشابك عدد كبير من الروبوتات الصغيرة مع بعضها البعض من خلال تصميم الشكل والآلية، ويتم دمجها في هياكل أكبر وأكثر تعقيدًا عند أداء المهام؛ وبعد اكتمال المهمة، يتم فك تشابكهم مع بعضهم البعض وتفريقهم لتنفيذ التعليمات الجديدة.
استخدم بارتيلات صورة مألوفة من الخيال العلمي كاستعارة - على غرار الروبوت المعدني السائل T-1000 في فيلم "Terminator 2": يمكنه "التسييل" إلى حالة سائلة في مساحة صغيرة والمرور عبر العوائق، ويمكنه إعادة التكثيف إلى شكل كامل على الجانب الآخر. وقال: "بالطبع، تكلفة هذه التكنولوجيا مرتفعة للغاية حاليًا، ولا يزال هناك العديد من التحديات لتحقيق تطبيق واسع النطاق، ولكن هذا هو الاتجاه الذي يهتم به العديد من الباحثين".
حاليًا، لا يزال الفريق مستمرًا في تحسين نظام المواد هذا وتجربة تصميمات جسيمات أكثر تعقيدًا، مثل إضافة "أرجل" أو "خطافات" بارزة إضافية لجعل الجسيمات تشبه إلى حد ما التريبولوس الشائك الموجود عادة في الملابس. من المتوقع أن يؤدي هذا النوع من الهياكل متعددة النتوءات إلى تعزيز تأثير التشابك وتحسين استقرار الهيكل العام وقابليته للتعديل.