Sarsıldığında Katı Olduğunu Unutan Malzeme

Yoğun bir zımba teli yığınını elinize alın ve çekin. Yerinden kımıldamayacaktır. Çelikten yapılmış katı bir blok gibi sert ve inatçıdır; uyguladığınız her Newton’luk kuvvete direnir. Ancak ona doğru türde bir sarsıntı—belirli, kalibre edilmiş bir titreşim—uyguladığınızda, tüm yapı çöker ve parmaklarınızın arasından gümüş bir su akışı gibi süzülür. Bu bir sihirbazlık numarası veya kimyasal bir reaksiyon değil. Binalarımızın, robotlarımızın ve köprülerimizin, komut aldıklarında tuğla mı yoksa su birikintisi mi olacaklarına karar verebilen malzemelerden yapıldığı bir geleceğe açılan bir penceredir.

Geleneksel malzemeler sıkıcı derecede tahmin edilebilirdir. Bir yığın kumunuz varsa, taneler dışbükeydir; pürüzsüz, yuvarlak ve özünde bencildirler. Bir kum tanesi yanındakinin ne yaptığıyla ilgilenmez; sadece birbirlerinin üzerinden kayıp giderler. Kuru kumdan dikey bir duvar inşa edememenizin nedeni budur. "Çekme mukavemeti" yoktur, yani onu çektiğinizde bir arada kalamaz. Küçük parçalardan katı bir yapı oluşturmak için genellikle kumdan kaledeki su veya betondaki çimento gibi bir "yapıştırıcı" eklememiz gerekir. Ancak Barthelat Lab bu yapıştırıcıyı tamamen ortadan kaldırmak istedi.

Dışbükey tanenin sonu

Bu zımba teli şeklindeki parçacıkları bir yığına döktüğünüzde, öylece durmazlar. Birbirlerine geçerler. Tıpkı bir kuş yuvasındaki dallar veya yün bir kazaktaki lifler gibi, bir parçacığın bacakları diğerinin gövdesine takılır. Bu, parçalarının toplamından daha büyük bir kolektif güç yaratır. "Kaldırma testlerinde" araştırmacılar, bu zımba tellerinden oluşan karışık bir kütlenin tek ve sert bir birim olarak kaldırılabildiğini keşfettiler. Fiziksel geometri parçacıkların kaymasını engellediği için katı bir madde gibi davranır. Esasen "bağların" kimyasal değil, mekanik olduğu bir malzeme inşa ediyorsunuz.

Bu, nadir bir fiziksel paradoks yaratır: hem güçlü hem de dayanıklı bir malzeme. Malzeme biliminde bu iki terim genellikle çelişir. Seramik bir tabak güçlüdür (çok fazla ağırlığı taşıyabilir) ancak dayanıklı değildir (çekiçle vurduğunuzda parçalanır). Bir lastik bant dayanıklıdır (enerjiyi emer ve esner) ancak güçlü değildir. Bu birbirine dolanmış zımba telleri bir şekilde her ikisini de başarmayı başarıyor. Metalin inatçılığıyla çekilip ayrılmaya direnirler, ancak birbirlerinin üzerinde hafifçe kayıp hareket edebildikleri için darbeleri kırılmadan emerler. Mühendislerin ağzını sulandıran türden bir mekanik özelliktir bu.

Bir köprüyü nasıl su birikintisine dönüştürürsünüz?

CU Boulder araştırmasının asıl dehası, zımba tellerinin birbirine yapışması değil, ne zaman bırakacaklarını bilmeleridir. NASA'dan Savunma Bakanlığı'na kadar herkesin ilgisini çeken "sıvı metal" yönü budur. Araştırmacılar, belirli titreşim modelleri uygulayarak malzemenin katılığını etkili bir şekilde "kapatabilirler". Hafif titreşimler, parçacıkların yuvalarını bulmalarına ve daha sıkı kenetlenmelerine yardımcı olarak yapıyı güçlendirir. Ancak "serbest bırakma" frekansına bastığınızda, parçacıklar mekanik kucaklaşmalarından sarsılarak kurtulurlar. "Katı" blok aniden sıvılaşır, bu da zımba tellerinin yeni bir kalıba dökülmesini veya tamamen temizlenmesini sağlar.

Bu, inşaatın geleceği için büyüleyici bir soru dizisi ortaya çıkarıyor. Bir afet bölgesinde kurulan geçici bir köprü hayal edin. Devasa vinçler ve kalıcı cıvatalar gerektiren ağır çelik kirişler yerine, bu birbirine kenetlenen parçacıklardan oluşan bir "bulamacı" bir kalıba dökebilir, katılaşana kadar titretebilir ve üzerinden geçebilirsiniz. İş bittiğinde, sarsma düğmesine basarsınız, köprü tekrar bir zımba teli yığınına dönüşür ve onları bir sonraki sahada kullanmak üzere bir kamyona kürekleyebilirsiniz. Bu, en üst düzey geri dönüştürülebilir altyapıdır.

Ancak bir sorun var. Mekanik dolanmayı büyük ölçekte kullanmak şu anda pahalı ve mükemmel bir şekilde simüle edilmesi inanılmaz derecede zor. Bilgisayar modelleri bin zımba telinin nasıl davranacağını tahmin edebilse de, bir milyar tanesinin hareketli bir kamyonun ağırlığı altında nasıl tepki vereceğini tahmin etmek tamamen farklı bir meseledir. Ayrıca "yorgunluk" sorunu da var. Malzeme, birbirine bağlanan küçük metal bacaklara dayanıyorsa, bininci "erime" döngüsünden sonra bu bacaklar bükülmeye veya kırılmaya başladığında ne olur? Ekip, daha kalıcı ve arıza emniyetli bir kilit oluşturmak için köpeğinizin tüylerine yapışan dikenli pıtraklara benzer şekilde, daha fazla bacağa sahip parçacıklar da dahil olmak üzere daha gelişmiş tasarımları şimdiden inceliyor.

Doğanın karmaşık kural kitabı yeniden yazılıyor

CU Boulder zımba telleri, fizikteki daha geniş, daha tuhaf bir trendin parçası: okulda öğrendiğimiz basit "katı, sıvı, gaz" şemalarının çoğunlukla yalan olduğunu anlıyoruz. Barthelat makro ölçekli zımba telleriyle oynarken, diğer fizikçiler aynı "tuhaf" davranışı atomik düzeyde buluyorlar. Galyum —elinizde erimesiyle ünlü metal— üzerine yapılan son araştırmalar, sıvı halinin tahmin ettiğimizden çok daha yapılandırılmış ve "katı benzeri" olduğunu gösterdi. Galyum sadece rastgele bir atom çorbasına dönüşmüyor; akarken bile kristal yapısının hayalet bir hafızasını koruyor.

Daha derinlere indiğimizde, grafen ve süperakışkanlarla çalışan araştırmacılar bir "kuantum pinball" durumu gözlemlediler. Bu sistemlerde elektronlar, katı gibi görünen ama sıvı gibi davranan veya tam tersi desenlerde "donmaya" zorlanabiliyor. Bir malzemenin "fazının" artık sabit bir kimlik değil, geçici bir ruh hali olduğu bir çağa giriyoruz. İster bir kutu ofis zımbası ister bir atom tabakası olsun, kurallar aynı: geometriyi ve enerjiyi kontrol edebiliyorsanız, maddeye istediğiniz her şeyi yaptırabilirsiniz.

Bu bizi T-1000'e geri getiriyor. Üvey annenizi taklit edebilen şekil değiştiren bir suikastçı inşa etme aşamasında olmasak da, CU Boulder ekibi yakın geleceğin sürü robotlarında yattığına inanıyor. Hiçbiri bir ekmek kızartma makinesinden daha akıllı olmayan, bir anahtar veya merdiven gibi katı bir alet oluşturmak için birbirine bağlanabilen bin küçük, basit robot hayal edin. Görev bittiğinde, çözülürler ve depolama için küçük bir kutuya akarlar. Bu, "sert" robotikten çevrelerine uyum sağlayabilen "yumuşak" sistemlere bir geçiştir.

Şekil değiştiricinin maliyeti

Peki bu neden halihazırda evlerimizde yok? Engel, her zaman olduğu gibi, fiziksel dünyanın karmaşık gerçekliğidir. Bir malzemenin gerçekten kullanışlı olması için güvenilir olması gerekir. Bu zımba tellerinden bir sandalye yaparsanız, yoldan geçen ağır bir kamyonun veya yüksek sesli bir bas hoparlörünün "erime frekansını" tetiklemeyeceğinden ve sizi yerde bir metal yığını üzerinde bırakmayacağından %100 emin olmanız gerekir. "Kapatma düğmesini" kazara tetiklenmeyecek kadar spesifik olacak şekilde tasarlamak bir sonraki büyük engeldir.

Ayrıca kapıda bekleyen bir düzenleyici kabusu da var. Binalar ve makineler için mevcut güvenlik standartlarımız, katıların katı kaldığı fikrine dayanmaktadır. Parçalanmak üzere tasarlanmış bir köprüyü nasıl sertifikalandırırsınız? Teorik olarak bir gidere dökülebilecek bir yapı için nasıl bir bina yönetmeliği yazarsınız? Bunlar, en ileri fiziğin eski dünyanın bürokrasisiyle karşılaştığı sürtünme noktalarıdır.

Bu engellere rağmen, ivme inkar edilemez. Statik bloklardan bir şeyler inşa ettiğimiz bir dünyadan, malzemelerin kendi işlevlerinde aktif katılımcılar olduğu bir dünyaya doğru ilerliyoruz. Genellikle birkaç kağıdı bir arada tutmak için kullandığımız mütevazı zımba teli, kazara bize daha akışkan bir geleceğin taslağını gösterdi. Görünüşe göre dünyayı değiştirmek istiyorsanız, yeni bir elemente veya devrim niteliğinde bir kimyasala ihtiyacınız yok; sadece işleri birbirine dolandırmanın daha iyi bir yoluna ihtiyacınız var.

Bir dahaki sefere yere bir kutu zımba teli düşürdüğünüzde ve onları çözmeye çalışmakla on dakikanızı harcadığınızda, sinirlenmeyin. Bir dağınıklığa bakmıyorsunuz. Şimdiye kadar tasarladığımız en güçlü, en dayanıklı, en uyumlu yapı malzemesine bakıyorsunuz. Sadece onun düzgün davranmasını sağlayacak doğru frekansı henüz bulamadınız.