Materiał, który po wstrząśnięciu „zapomina”, że jest ciałem stałym

Weź garść gęsto upakowanych zwykłych zszywek biurowych i spróbuj je rozdzielić. Ani drgną. Sprawiają wrażenie litego bloku stali, sztywnego i opornego, stawiającego czoła każdemu niutonowi siły, jaki w nie wkładasz. Wystarczy jednak odpowiedni rodzaj wstrząsu – specyficzna, skalibrowana wibracja – a cała struktura załamuje się, przepływając przez palce niczym strumień srebrzystej wody. To nie sztuczka magiczna ani reakcja chemiczna. To wgląd w przyszłość, w której nasze budynki, roboty i mosty będą wykonane z materiałów, które na zawołanie mogą zdecydować, czy chcą być cegłą, czy kałużą.

Tradycyjne materiały są nudno przewidywalne. Jeśli masz stertę piasku, jego ziarna są wypukłe – gładkie, zaokrąglone i w zasadzie egoistyczne. Pojedyncze ziarno piasku nie przejmuje się tym, co robią inne; po prostu przesuwają się obok siebie. Dlatego nie da się zbudować pionowej ściany z suchego piasku. Nie posiada on „wytrzymałości na rozciąganie”, co oznacza, że nie potrafi utrzymać spójności, gdy się go ciągnie. Aby stworzyć solidną strukturę z małych elementów, zwykle musimy dodać „klej”, jak wodę w zamku z piasku czy cement w betonie. Barthelat Lab chciało jednak całkowicie zrezygnować z kleju.

Koniec ery wypukłych ziaren

Kiedy wysypujesz te cząstki w kształcie zszywek na stos, nie leżą one bezczynnie. One się splatają. Podobnie jak patyki w gnieździe ptaka czy włókna w wełnianym swetrze, odnóża jednej cząstki zahaczają o korpus drugiej. Tworzy to zbiorową wytrzymałość, która jest większa niż suma jej części. W „testach podnoszenia” badacze odkryli, że splątana masa tych zszywek może zostać podniesiona jako jedna, sztywna całość. Zachowuje się jak ciało stałe, ponieważ fizyczna geometria uniemożliwia cząstkom przesuwanie się. W istocie budujesz materiał, w którym „wiązania” mają charakter mechaniczny, a nie chemiczny.

Tworzy to rzadki fizyczny paradoks: materiał, który jest jednocześnie mocny i wytrzymały. W inżynierii materiałowej te dwa pojęcia często się wykluczają. Ceramiczny talerz jest mocny (może utrzymać duży ciężar), ale nie jest wytrzymały (uderzony młotkiem pęka). Gumka recepturka jest wytrzymała (pochłania energię i się rozciąga), ale nie jest mocna. Te splątane zszywki jakimś cudem potrafią jedno i drugie. Opierają się rozrywaniu z uporem metalu, ale ponieważ mogą się nieznacznie przesuwać względem siebie, absorbują uderzenia bez pękania. To rodzaj właściwości mechanicznych, na widok których inżynierom cieknie ślinka.

Jak zamienić most w kałużę?

Prawdziwy geniusz badań CU Boulder nie tkwi tylko w tym, że zszywki trzymają się razem – chodzi o to, że „wiedzą”, kiedy puścić. To właśnie ten aspekt „ciekłego metalu” zainteresował wszystkich, od NASA po Ministerstwo Obrony. Stosując określone wzorce wibracji, naukowcy mogą skutecznie „wyłączyć” stałość materiału. Delikatne wibracje pomagają cząstkom znaleźć swoje miejsce i zazębić się mocniej, wzmacniając strukturę. Jednak po uruchomieniu częstotliwości „uwalniającej”, cząstki zostają wytrącone ze swojego mechanicznego uścisku. „Stały” blok nagle upłynnia się, umożliwiając przelanie zszywek do nowej formy lub całkowite ich usunięcie.

Rodzi to fascynujące pytania o przyszłość budownictwa. Wyobraźmy sobie tymczasowy most rozstawiony w strefie klęski żywiołowej. Zamiast ciężkich stalowych belek, które wymagają ogromnych dźwigów i stałych połączeń śrubowych, można by wlać „zawiesinę” tych zazębiających się cząstek do formy, wprawić je w wibracje, aż zablokują się na sztywno, i przejść po nich. Gdy praca zostanie wykonana, naciskasz przycisk wstrząsów, most topi się z powrotem w stertę zszywek, a ty ładujesz je łopatą na ciężarówkę, by użyć ich ponownie w innym miejscu. To infrastruktura idealnie nadająca się do recyklingu.

Jest jednak pewien haczyk. Wykorzystanie mechanicznego splątania na dużą skalę jest obecnie kosztowne i niezwykle trudne do precyzyjnego symulowania. O ile modele komputerowe potrafią przewidzieć zachowanie tysiąca zszywek, o tyle przewidzenie reakcji miliarda z nich pod ciężarem poruszającej się ciężarówki to zupełnie inna bajka. Istnieje również kwestia „zmęczenia” materiału. Jeśli materiał polega na zahaczaniu się maleńkich metalowych odnóży, co się stanie, gdy zaczną się one wyginać lub łamać po tysięcznym cyklu „topnienia”? Zespół przygląda się już bardziej zaawansowanym projektom, w tym cząstkom z jeszcze większą liczbą odnóży – podobnym do kolczastych rzepów, które czepiają się sierści psa – aby stworzyć trwalsze, bezpieczniejsze połączenia.

Chaotyczny podręcznik natury jest przepisywany na nowo

Zszywki z CU Boulder wpisują się w szerszy, dziwniejszy trend w fizyce: uświadamiamy sobie, że proste diagramy „ciało stałe, ciecz, gaz”, których uczyliśmy się w szkole, są w dużej mierze kłamstwem. Podczas gdy Barthelat eksperymentuje ze zszywkami w makroskali, inni fizycy odkrywają to samo „dziwne” zachowanie na poziomie atomowym. Ostatnie badania nad galem – metalem, który znany jest z tego, że topi się w dłoni – wykazały, że jego stan ciekły jest znacznie bardziej uporządkowany i „stały”, niż podejrzewaliśmy. Gal nie zamienia się po prostu w przypadkową zupę atomów; zachowuje ulotną pamięć o swojej strukturze krystalicznej, nawet gdy płynie.

Schodząc głębiej w króliczą norę, badacze pracujący z grafenem i nadcieczami zaobserwowali stan „kwantowego flipera”. W tych układach elektrony można zmusić do „zamrożenia” w wzory, które wyglądają jak ciała stałe, ale zachowują się jak ciecze – lub odwrotnie. Wkraczamy w erę, w której „faza” materiału nie jest już stałą tożsamością, lecz chwilowym nastrojem. Niezależnie od tego, czy chodzi o garść zszywek biurowych, czy arkusz atomów, zasady są takie same: jeśli potrafisz kontrolować geometrię i energię, możesz sprawić, że materia zrobi wszystko, czego zapragniesz.

To prowadzi nas z powrotem do T-1000. Choć nie jesteśmy jeszcze na etapie budowania zmiennokształtnego zabójcy, który mógłby podszyć się pod twoją macochę, zespół z CU Boulder uważa, że bezpośrednia przyszłość leży w robotyce roju. Wyobraźmy sobie tysiąc małych, prostych robotów – z których żaden nie jest mądrzejszy od tostera – mogących łączyć się ze sobą, tworząc solidne narzędzie, takie jak klucz czy drabina. Gdy zadanie zostanie wykonane, rozdzielają się i przelewają do małego pudełka w celu przechowywania. To przejście od „twardej” robotyki do „miękkich” systemów, które potrafią dostosować się do swojego otoczenia.

Koszt zmiennokształtności

Dlaczego jednak nie mamy tego jeszcze w naszych domach? Barierą, jak zawsze, jest chaotyczna rzeczywistość świata fizycznego. Aby materiał był naprawdę użyteczny, musi być niezawodny. Jeśli zbudujesz krzesło z tych zszywek, musisz mieć 100% pewności, że przejeżdżająca ciężarówka lub głośny basowy głośnik nie trafią w „częstotliwość topnienia”, pozostawiając cię siedzącego na podłodze w stosie metalu. Zaprojektowanie „wyłącznika” tak precyzyjnego, by nie został uruchomiony przez przypadek, to kolejna wielka przeszkoda.

Na horyzoncie czai się również koszmar regulacyjny. Nasze obecne standardy bezpieczeństwa dla budynków i maszyn opierają się na założeniu, że ciała stałe pozostają stałe. Jak certyfikować most zaprojektowany tak, by się rozpadł? Jak napisać przepisy budowlane dla struktury, którą teoretycznie można wylać do ścieku? To właśnie punkty tarcia, w których najnowocześniejsza fizyka spotyka się ze staroświecką biurokracją.

Mimo tych przeszkód, impet jest niezaprzeczalny. Odchodzimy od świata, w którym budujemy rzeczy ze statycznych bloków, w stronę świata, w którym materiały są aktywnymi uczestnikami własnego funkcjonowania. Skromna zszywka biurowa, narzędzie, którego zazwyczaj używamy do spięcia kilku kartek papieru, nieumyślnie pokazała nam plan bardziej płynnej przyszłości. Okazuje się, że jeśli chcesz zmienić świat, niekoniecznie potrzebujesz nowego pierwiastka czy rewolucyjnej chemii – potrzebujesz tylko lepszego sposobu na to, by wszystko ze sobą splątać.

Następnym razem, gdy upuścisz pudełko zszywek na podłogę i spędzisz dziesięć minut na próbach ich rozplątania, nie denerwuj się. Nie patrzysz na bałagan. Patrzysz na najmocniejszy, najbardziej wytrzymały i najzdolniejszy do adaptacji materiał budowlany, jaki kiedykolwiek wymyśliliśmy. Po prostu nie znalazłeś jeszcze odpowiedniej częstotliwości, by zmusić go do współpracy.