Brug af en materialehukommelse til at kode unikke fysiske egenskaber

En ny undersøgelse offentliggjort i Videnskabens fremskridt fandt ud af, at visse typer materialer har en "hukommelse" om, hvordan de blev behandlet, opbevaret, og manipuleret. Forskere var derefter i stand til at bruge denne hukommelse til at kontrollere, hvordan et materiale ældes og til at indkode specifikke egenskaber, der tillader det at udføre nye funktioner. Denne kreative tilgang til design af materialer var resultatet af et samarbejde mellem Penn's Andrea Liu og Sidney R. Nagel, Nidhi Pashine, og Daniel Hexner fra University of Chicago.

Liu og Nagel har arbejdet sammen i mange år om fysikken i forstyrrede systemer. I modsætning til bestilte systemer, som har systematiske og gentagne mønstre, uordnede systemer er arrangeret tilfældigt. Et illustrativt eksempel er en naturlig væg lavet af tæt pakket snavs, hvor individuelle korn ikke er pænt stablet, men i stedet klumper sig sammen til en stiv struktur. Forskere er interesserede i disse systemer, fordi deres tilfældighed gør, at de let kan omdannes til nye mekaniske metamaterialer med unikke mekaniske egenskaber.

En vigtig egenskab, som materialeforskere gerne vil kontrollere, er, hvordan et materiale reagerer, når en ekstern kraft påføres. Når de fleste materialer strækkes i én retning, de krymper vinkelret, og når de er komprimeret, udvider de sig vinkelret, som et gummibånd - når det strækkes bliver det tyndt, og når den komprimeres bliver den tykkere.

Materialer, der gør det modsatte, dem, der krymper vinkelret, når de komprimeres og bliver tykkere, når de strækkes, er kendt som auxetics. Disse materialer er sjældne, men mistænkes for at være bedre til at absorbere energi og være mere brudbestandige. Forskere er interesserede i at skabe auxetiske materialer for at hjælpe med at forbedre funktionen af ​​materialer, blandt andet, kunne absorbere stød.

I dette studie, forskerne ville se, om de kunne bruge et uordnet materiales "hukommelse" af de tidligere belastninger, det var stødt på, til at transformere materialet til noget nyt. Først, de kørte computersimuleringer af normale materialer under tryk og selektivt ændrede atombindinger for at se, hvilke ændringer der kunne gøre materialet auxetisk. De opdagede, at ved at skære bindingerne langs de områder med den største ydre belastning, de kunne digitalt skabe et auxetisk materiale.

Ved hjælp af denne indsigt, holdet tog derefter et Styrofoam-lignende materiale og tilføjede "hukommelse" ved at lade materialet ældes under specificerede belastninger. For at gøre materialet auxetisk anvendte de et konstant tryk på materialet og lod det ældes naturligt. "Med det hele under pres, den justerede sig selv. Det forvandlede sig fra et normalt materiale til et mekanisk metamateriale, " siger Liu.

Denne utroligt enkle og effektive proces er et skridt nærmere en materialevidenskabens "hellige gral" for at være i stand til at skabe materialer med specifikke strukturer på atomniveau uden behov for udstyr i høj opløsning eller modifikationer på atomniveau. Den tilgang, der er beskrevet i dette papir, kræver i stedet kun en smule tålmodighed, mens systemet får "hukommelse" og derefter ældes naturligt.

Liu siger, at det er en "helt anderledes" måde at tænke på at lave nye materialer på. "Du starter med et forstyrret system, og hvis du anvender de rigtige belastninger, kan du få det til at komme ud med de egenskaber, du ønsker, " hun siger.

Dette arbejde har også en stærk forbindelse til strukturer i biologien. Organer, enzymer, og filamentnetværk er naturlige eksempler på uordnede systemer, der er vanskelige at efterligne syntetisk på grund af deres kompleksitet. Nu, forskere kunne bruge denne enklere tilgang som udgangspunkt for at skabe komplekse menneskeskabte strukturer, der henter inspiration fra den brede vifte af egenskaber, der ses i biologien.

Nagel ser optimistisk på fremtiden. "Ud over at lave auxetiske materialer, " han siger, "Vi har også brugt en computer til at designe i præcis mekanisk kontrol af fjerne dele af materialet ved at påføre lokale spændinger. Også dette er inspireret af biologisk aktivitet. Vi skal nu se, om dette, også, kan fås til at fungere ved at ælde et rigtigt materiale i laboratoriet."

"Mulighederne på dette stadium virker ubegrænsede, "siger Nagel." Kun ved yderligere teoretisk arbejde og eksperimentering begynder vi at forstå, hvad der er grænserne for dette nye koncept for materialedesign. "