Материал, который «забывает», что он твердый, если его встряхнуть

Возьмите плотную горсть обычных канцелярских скрепок и потяните. Она не сдвинется с места. Она ощущается как твердый стальной блок, жесткий и упрямый, сопротивляющийся каждому ньютону приложенной силы. Но стоит применить правильное воздействие — специфическую, откалиброванную вибрацию — и вся структура рушится, перетекая сквозь пальцы, словно поток жидкого серебра. Это не фокус и не химическая реакция. Это взгляд в будущее, где здания, роботы и мосты будут сделаны из материалов, способных по команде решать, быть им кирпичом или лужей.

Традиционные материалы до скуки предсказуемы. Если у вас есть куча песка, его зерна выпуклые — они гладкие, округлые и, по сути, эгоистичные. Одному зернышку нет дела до того, что делает другое; они просто скользят мимо друг друга. Вот почему нельзя построить вертикальную стену из сухого песка. У него нет «прочности на растяжение», а это значит, что он не может удерживать форму, когда вы тянете его в разные стороны. Чтобы создать твердую конструкцию из мелких деталей, нам обычно требуется добавить «клей», подобно воде в песочном замке или цементу в бетоне. Но лаборатория Barthelat Lab хотела полностью отказаться от клея.

Конец эры выпуклых зерен

Когда вы высыпаете в кучу частицы в форме скрепок, они не просто лежат. Они переплетаются. Подобно прутьям в птичьем гнезде или волокнам в шерстяном свитере, ножки одной частицы цепляются за корпус другой. Это создает коллективную прочность, превышающую сумму ее отдельных частей. В ходе «тестов на подъем» исследователи обнаружили, что запутанную массу таких скрепок можно поднять как единый жесткий блок. Она ведет себя как твердое тело, потому что физическая геометрия препятствует взаимному скольжению частиц. По сути, вы создаете материал, в котором «связи» являются механическими, а не химическими.

Это создает редкий физический парадокс: материал, который одновременно является и прочным, и вязким. В материаловедении эти два термина часто противоречат друг другу. Керамическая тарелка прочна (она выдерживает большой вес), но не вязка (ударьте ее молотком, и она разлетится). Резиновая лента вязка (она поглощает энергию и растягивается), но не прочна. Эти сцепленные скрепки каким-то образом справляются с обеими задачами. Они сопротивляются растяжению с упорством металла, но, поскольку могут слегка смещаться и скользить друг относительно друга, они поглощают удары, не ломаясь. Это тот тип механических свойств, от которых инженеры приходят в восторг.

Как превратить мост в лужу?

Настоящая гениальность исследования CU Boulder заключается не только в том, что скрепки держатся вместе, — а в том, что они знают, когда нужно отпустить друг друга. Это тот самый аспект «жидкого металла», который заинтересовал всех: от NASA до Министерства обороны. Применяя определенные паттерны вибрации, исследователи могут эффективно «отключать» твердость материала. Легкие вибрации, напротив, помогают частицам найти свое положение и сцепиться плотнее, делая структуру прочнее. Но стоит включить частоту «расцепления», как частицы выбиваются из своих механических объятий. «Твердый» блок внезапно разжижается, позволяя залить скрепки в новую форму или полностью убрать их.

Это ставит ряд захватывающих вопросов перед будущим строительства. Представьте временный мост, развернутый в зоне стихийного бедствия. Вместо тяжелых стальных балок, требующих огромных кранов и постоянных болтовых соединений, вы могли бы залить «шлам» из этих сцепляющихся частиц в каркас, провибрировать их до затвердевания и перейти по нему. Когда работа закончена, вы нажимаете кнопку вибрации, мост превращается в кучу скрепок, и вы грузите их в грузовик, чтобы использовать снова на следующем объекте. Это идеальная перерабатываемая инфраструктура.

Однако есть подвох. Использование механического сцепления в больших масштабах в настоящее время дорого и невероятно сложно для точного моделирования. Хотя компьютерные модели могут предсказать, как поведет себя тысяча скрепок, предсказать поведение миллиарда частиц под весом движущегося грузовика — это совсем другая задача. Также существует проблема «усталости». Если материал полагается на крошечные металлические ножки, соединяющиеся друг с другом, что произойдет, когда эти ножки начнут гнуться или ломаться после тысячного цикла «плавления»? Команда уже работает над более совершенными конструкциями, включая частицы с еще большим количеством ножек — похожие на колючие репьи, которые цепляются за шерсть вашей собаки, — чтобы создать более надежное, отказоустойчивое соединение.

Беспорядочные правила природы переписываются

Скрепки CU Boulder являются частью более широкого и странного тренда в физике: мы осознаем, что простые диаграммы «твердое, жидкое, газообразное», которые мы учили в школе, в основном лживы. В то время как Barthelat экспериментирует со скрепками макроуровня, другие физики обнаруживают такое же «странное» поведение на атомном уровне. Недавние исследования галлия — металла, который, как известно, плавится в руке, — показали, что его жидкое состояние гораздо более структурировано и «твердоподобно», чем мы предполагали. Галлий не просто превращается в случайный суп из атомов; он сохраняет призрачную память о своей кристаллической структуре, даже когда течет.

Углубляясь дальше, исследователи, работающие с графеном и сверхтекучими жидкостями, наблюдали состояние «квантового пинбола». В этих системах электроны можно заставить «застыть» в узорах, которые выглядят как твердые тела, но ведут себя как жидкости, и наоборот. Мы вступаем в эру, когда «фаза» материала больше не является фиксированной характеристикой, а лишь временным состоянием. Будь то куча канцелярских скрепок или лист атомов, правила одинаковы: если вы можете управлять геометрией и энергией, вы можете заставить материю делать все, что захотите.

Это возвращает нас к T-1000. Хотя мы еще не на той стадии, чтобы создать меняющего форму убийцу, способного имитировать вашу мачеху, команда CU Boulder считает, что ближайшее будущее лежит в области роевой робототехники. Представьте тысячу маленьких простых роботов — каждый из которых не умнее тостера, — способных сцепляться друг с другом для формирования твердого инструмента, например, гаечного ключа или лестницы. Когда задача выполнена, они расцепляются и перетекают в небольшую коробку для хранения. Это переход от «жесткой» робототехники к «мягким» системам, способным адаптироваться к окружающей среде.

Цена трансформации

Но почему этого еще нет в наших домах? Препятствием, как всегда, является сложная реальность физического мира. Чтобы материал был действительно полезен, он должен быть надежным. Если вы построите стул из этих скрепок, вам нужно быть на 100% уверенным, что проезжающий мимо тяжелый грузовик или громкий бас из колонки не попадет в «частоту плавления» и не оставит вас сидеть на полу в куче металла. Инженерная задача сделать «выключатель» достаточно специфическим, чтобы он не срабатывал случайно, — это следующий большой барьер.

Кроме того, на горизонте маячит бюрократический кошмар. Наши текущие стандарты безопасности для зданий и машин основаны на идее, что твердые тела остаются твердыми. Как сертифицировать мост, который спроектирован так, чтобы развалиться? Как написать строительные нормы для конструкции, которую теоретически можно слить в канализацию? Это те точки трения, где передовая физика встречается с бюрократией старого мира.

Несмотря на эти препятствия, импульс очевиден. Мы уходим от мира, где мы строим вещи из статичных блоков, к миру, где материалы являются активными участниками своей функции. Обычная канцелярская скрепка, инструмент, который мы обычно используем, чтобы скрепить несколько листов бумаги, невольно показала нам чертеж более гибкого будущего. Оказывается, если вы хотите изменить мир, вам не обязательно нужен новый элемент или революционный химикат — вам просто нужен лучший способ заставить вещи запутываться.

В следующий раз, когда вы уроните коробку скрепок на пол и потратите десять минут, пытаясь их распутать, не злитесь. Вы смотрите не на беспорядок. Вы смотрите на самый прочный, самый износостойкий и самый адаптивный строительный материал из всех, что мы когда-либо придумывали. Вы просто еще не нашли правильную частоту, чтобы заставить его подчиняться.