Das Material, das beim Schütteln vergisst, dass es ein Festkörper ist

Nehmen Sie einen dichten Klumpen gewöhnlicher Büroklammern und ziehen Sie daran. Er rührt sich nicht. Er fühlt sich an wie ein massiver Stahlblock, starr und eigensinnig, der jedem Newton an Kraft widersteht, den Sie auf ihn ausüben. Doch geben Sie ihm den richtigen Impuls – eine spezifische, kalibrierte Vibration – und die gesamte Struktur bricht zusammen und fließt wie ein silberner Wasserstrom durch Ihre Finger. Das ist kein Zaubertrick und auch keine chemische Reaktion. Es ist ein flüchtiger Blick in eine Zukunft, in der unsere Gebäude, Roboter und Brücken aus Materialien bestehen, die auf Befehl entscheiden können, ob sie ein Ziegelstein oder eine Pfütze sein wollen.

Traditionelle Materialien sind langweilig vorhersehbar. Wenn Sie einen Haufen Sand haben, sind die Körner konvex – sie sind glatt, abgerundet und im Grunde genommen egoistisch. Ein Sandkorn schert sich nicht darum, was das nächste tut; sie gleiten einfach aneinander vorbei. Deshalb kann man keine vertikale Mauer aus trockenem Sand bauen. Er hat keine „Zugfestigkeit“, was bedeutet, dass er nicht zusammenhält, wenn man daran zieht. Um aus kleinen Teilen eine feste Struktur zu bilden, müssen wir normalerweise einen „Klebstoff“ hinzufügen, wie das Wasser in einer Sandburg oder den Zement in Beton. Doch das Barthelat Lab wollte auf den Klebstoff gänzlich verzichten.

Das Ende des konvexen Korns

Wenn man diese klammerförmigen Partikel auf einen Haufen schüttet, bleiben sie nicht einfach liegen. Sie verhaken sich. Ähnlich wie die Zweige in einem Vogelnest oder die Fasern in einem Wollpullover verhaken sich die Schenkel eines Partikels mit dem Körper eines anderen. Dies erzeugt eine kollektive Stärke, die größer ist als die Summe ihrer Teile. In „Aufhebetests“ fanden die Forscher heraus, dass eine verhedderte Masse dieser Klammern als eine einzige, starre Einheit angehoben werden konnte. Sie verhält sich wie ein Festkörper, weil die physische Geometrie verhindert, dass die Partikel abgleiten. Man baut im Grunde ein Material, bei dem die „Bindungen“ eher mechanisch als chemisch sind.

Dies schafft ein seltenes physikalisches Paradoxon: ein Material, das gleichzeitig fest und zäh ist. In der Materialwissenschaft stehen diese beiden Begriffe oft im Widerspruch. Ein Keramikteller ist fest (er kann viel Gewicht tragen), aber nicht zäh (schlägt man mit einem Hammer darauf, zerspringt er). Ein Gummiband ist zäh (es absorbiert Energie und dehnt sich), aber nicht fest. Diese verhedderten Klammern schaffen es irgendwie, beides zu vereinen. Sie widerstehen dem Auseinanderziehen mit der Hartnäckigkeit von Metall, aber weil sie sich leicht gegeneinander verschieben und gleiten können, absorbieren sie Stöße, ohne zu brechen. Es ist die Art von mechanischer Eigenschaft, bei der Ingenieuren das Wasser im Mund zusammenläuft.

Wie verwandelt man eine Brücke in eine Pfütze?

Das eigentliche Genie der Forschung der CU Boulder liegt nicht nur darin, dass die Klammern zusammenhalten – es liegt daran, dass sie wissen, wann sie loslassen müssen. Dies ist der Aspekt des „flüssigen Metalls“, der von der NASA bis zum Verteidigungsministerium alle interessiert. Durch die Anwendung spezifischer Vibrationsmuster können die Forscher die Festigkeit des Materials effektiv „ausschalten“. Sanfte Vibrationen helfen den Partikeln sogar dabei, ihre Position zu finden und sich fester ineinander zu verhaken, was die Struktur verstärkt. Doch trifft man die „Lösungsfrequenz“, werden die Partikel aus ihrer mechanischen Umklammerung gerüttelt. Der „feste“ Block verflüssigt sich plötzlich, sodass die Klammern in eine neue Form gegossen oder vollständig beseitigt werden können.

Dies wirft faszinierende Fragen für die Zukunft des Bauwesens auf. Stellen Sie sich eine temporäre Brücke in einem Katastrophengebiet vor. Anstatt schwerer Stahlträger, die massive Kräne und dauerhafte Schraubverbindungen erfordern, könnten Sie einen „Brei“ aus diesen ineinandergreifenden Partikeln in einen Rahmen gießen, sie vibrieren lassen, bis sie fest verriegelt sind, und darüber gehen. Wenn die Arbeit getan ist, drücken Sie den „Schüttelknopf“, die Brücke schmilzt zurück zu einem Haufen Klammern, und Sie schaufeln diese in einen Lastwagen, um sie am nächsten Einsatzort wieder zu verwenden. Es ist die ultimative recycelbare Infrastruktur.

Es gibt jedoch einen Haken. Mechanische Verschränkung im großen Maßstab zu nutzen, ist derzeit teuer und unglaublich schwierig perfekt zu simulieren. Während Computermodelle vorhersagen können, wie sich tausend Klammern verhalten, ist die Vorhersage, wie eine Milliarde von ihnen unter dem Gewicht eines fahrenden Lastwagens reagieren wird, ein völlig anderes Kaliber. Es gibt auch das Problem der „Ermüdung“. Wenn das Material auf winzigen Metallschenkeln basiert, die ineinandergreifen, was passiert, wenn sich diese Schenkel nach dem tausendsten „Schmelz“-Zyklus verbiegen oder abbrechen? Das Team untersucht bereits fortschrittlichere Designs, einschließlich Partikeln mit noch mehr Schenkeln – ähnlich den stacheligen Kletten, die im Fell Ihres Hundes hängen bleiben –, um eine dauerhaftere, ausfallsichere Verriegelung zu schaffen.

Das unordentliche Regelbuch der Natur wird neu geschrieben

Die Klammern der CU Boulder sind Teil eines breiteren, seltsameren Trends in der Physik: Wir erkennen, dass die einfachen Diagramme von „fest, flüssig, gasförmig“, die wir in der Schule gelernt haben, größtenteils Lügen sind. Während Barthelat mit Klammern im Makromaßstab spielt, entdecken andere Physiker dasselbe „seltsame“ Verhalten auf atomarer Ebene. Jüngste Studien an Gallium – dem Metall, das bekanntermaßen in der Hand schmilzt – haben gezeigt, dass sein flüssiger Zustand weitaus strukturierter und „festkörperähnlicher“ ist, als wir je vermutet hätten. Gallium verwandelt sich nicht einfach in eine zufällige Suppe aus Atomen; es behält eine geisterhafte Erinnerung an seine Kristallstruktur bei, selbst während es fließt.

Noch tiefer im Kaninchenbau haben Forscher, die mit Graphen und Suprafluiden arbeiten, einen „Quanten-Flipper“-Zustand beobachtet. In diesen Systemen können Elektronen dazu gebracht werden, in Mustern zu „erstarren“, die wie Festkörper aussehen, sich aber wie Flüssigkeiten verhalten, oder umgekehrt. Wir treten in eine Ära ein, in der die „Phase“ eines Materials keine feste Identität mehr ist, sondern eine vorübergehende Stimmung. Ob es sich um einen Haufen Büroklammern oder eine Schicht aus Atomen handelt, die Regeln sind dieselben: Wenn man die Geometrie und die Energie kontrollieren kann, kann man Materie dazu bringen, alles zu tun, was man will.

Das bringt uns zurück zum T-1000. Obwohl wir noch nicht so weit sind, einen gestaltwandelnden Attentäter zu bauen, der Ihre Stiefmutter imitieren kann, glaubt das Team der CU Boulder, dass die unmittelbare Zukunft in der Schwarmrobotik liegt. Stellen Sie sich tausend kleine, einfache Roboter vor – keiner von ihnen schlauer als ein Toaster –, die sich miteinander verbinden können, um ein festes Werkzeug zu bilden, wie einen Schraubenschlüssel oder eine Leiter. Wenn die Aufgabe erledigt ist, entwirren sie sich und fließen zur Aufbewahrung in eine kleine Kiste. Es ist ein Übergang von „harter“ Robotik zu „weichen“ Systemen, die sich an ihre Umgebung anpassen können.

Der Preis des Gestaltwandlers

Aber warum gibt es das noch nicht in unseren Wohnungen? Das Hindernis ist, wie immer, die unordentliche Realität der physischen Welt. Damit ein Material wirklich nützlich ist, muss es zuverlässig sein. Wenn Sie einen Stuhl aus diesen Klammern bauen, müssen Sie zu 100 % sicher sein, dass ein vorbeifahrender schwerer Lastwagen oder ein lauter Basslautsprecher nicht die „Schmelzfrequenz“ trifft und Sie auf dem Boden in einem Haufen Metall sitzen lässt. Die Entwicklung des „Ausschalters“, sodass er spezifisch genug ist, um nicht versehentlich ausgelöst zu werden, ist die nächste große Hürde.

Es wartet auch ein regulatorischer Albtraum hinter den Kulissen. Unsere derzeitigen Sicherheitsstandards für Gebäude und Maschinen basieren auf der Vorstellung, dass Festkörper fest bleiben. Wie zertifiziert man eine Brücke, die darauf ausgelegt ist, auseinanderzufallen? Wie schreibt man eine Bauvorschrift für eine Struktur, die theoretisch in einen Abfluss gegossen werden könnte? Dies sind die Art von Reibungspunkten, an denen modernste Physik auf die Bürokratie der alten Welt trifft.

Trotz dieser Hürden ist die Dynamik unbestreitbar. Wir bewegen uns weg von einer Welt, in der wir Dinge aus statischen Blöcken bauen, hin zu einer Welt, in der Materialien aktive Teilnehmer ihrer eigenen Funktion sind. Die bescheidene Büroklammer, ein Werkzeug, das wir normalerweise benutzen, um ein paar Blätter Papier zusammenzuhalten, hat uns versehentlich die Blaupause für eine flüssigere Zukunft gezeigt. Es stellt sich heraus, dass man, um die Welt zu verändern, nicht unbedingt ein neues Element oder eine revolutionäre Chemikalie braucht – man braucht nur einen besseren Weg, um Dinge miteinander zu verheddern.

Wenn Sie das nächste Mal eine Schachtel Klammern auf den Boden fallen lassen und zehn Minuten damit verbringen, sie zu entwirren, werden Sie nicht wütend. Sie betrachten kein Chaos. Sie betrachten das stärkste, zäheste und anpassungsfähigste Baumaterial, das wir je konzipiert haben. Sie haben nur noch nicht die richtige Frequenz gefunden, damit es sich benimmt.