Инженеры из Университета Колорадо в Боулдере разработали новый тип материала, свойства которого зависят от формы составляющих его частиц. Учёные показали, что масса из миниатюрных частиц, по форме напоминающих канцелярские скобы, может образовывать прочную, но при этом легко разбираемую структуру.
В основе разработки лежит принцип механического сцепления, когда отдельные элементы переплетаются друг с другом. Сжатый блок обычных скоб для степлера сложно разорвать, но если его потрясти, он легко рассыплется. Подобные структуры встречаются в природе – например, птичьи гнёзда из переплетённых веток или костная ткань, где прочность достигается взаимодействием твёрдых минеральных и мягких белковых компонентов.
Исследователи выяснили, что ключевую роль в сцеплении играет геометрия частиц. Гладкие и выпуклые частицы, как песчинки, не могут эффективно зацепляться друг за друга. С помощью компьютерного моделирования по методу Монте-Карло команда проанализировала различные формы и определила, что наилучшим образом сцепляются частицы с двумя «ножками», похожие на скобы.
Эксперименты подтвердили, что такой материал одновременно обладает высокой прочностью на разрыв и ударной вязкостью – сочетание, которого трудно достичь в традиционных материалах. Кроме того, структурой можно управлять. Лёгкая вибрация заставляет частицы плотнее сцепляться, увеличивая прочность всего объёма, а более сильная – разрушает связи, и материал «рассыпается». По словам авторов, он ведёт себя не как твёрдое тело и не как жидкость, что открывает новые инженерные возможности.
Такая технология может применяться в строительстве для создания конструкций, которые можно будет не сносить, а разбирать для повторного использования или переработки. Другое возможное направление – роевая робототехника, где группы миниатюрных роботов могли бы объединяться для выполнения задачи, а затем снова разделяться. Сейчас команда изучает более сложные частицы с несколькими выступами, похожие на репейник, чтобы добиться ещё более прочного сцепления. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Applied Physics.
