Een technisch team van de Universiteit van Colorado Boulder demonstreerde onlangs een nieuw type materiaal met een sci-fi-gevoel: een verstrengeld deeltjessysteem bestaande uit kleine deeltjes met speciale vormen die vrij kunnen schakelen tussen ‘hard geheel’ en ‘losse vloeistof’. De onderzoekers lieten zich inspireren door een paar gewone kantoorbenodigdheden. Wanneer een groot aantal nietjes verstrikt zijn in een bal, zullen ze als één geheel externe krachten weerstaan ​​​​wanneer eraan wordt getrokken. Wanneer ze echter op een specifieke manier worden getrild of geschud, zullen ze snel loskomen en instorten in een stapel afzonderlijke metalen strips.

Dit fenomeen heeft onderzoekers ertoe aangezet om de benadering van materiaalontwerp te heroverwegen: in plaats van traditionele monolithische vaste stoffen of chemische bindingen te gebruiken, beginnend bij geometrische vormen, door een groot aantal kleine deeltjes te gebruiken die met elkaar kunnen worden 'verbonden' om een ​​algehele structuur op te bouwen door middel van fysieke verstrengeling, terwijl ze tegelijkertijd snel kunnen desintegreren wanneer dat nodig is. "We spelen al vele jaren met configuraties en geometrieën, maar pas onlangs zijn we begonnen met het serieus bestuderen van in elkaar grijpende, verstrengelde deeltjes", zegt professor Francois Barthelat, leider van het project en directeur van het Laboratorium voor Geavanceerde Materialen en Bio-Inspiratie. "Dit systeem kan een zeer unieke reeks prestatiecombinaties vertonen, en wij geloven dat er veel ruimte is voor technische verbeelding."

De studie, gepubliceerd in de Journal of Applied Physics, noemt dit fenomeen 'verstrengeling': het proces waarbij deeltjes met elkaar verstrikt raken en structurele verbindingen vormen. Soortgelijke principes zijn bekend in de natuur: vogelnesten zijn voor hun sterkte afhankelijk van de verwevenheid van takken en vezels, en botten zijn afhankelijk van de koppeling tussen stijve mineralen en zachte eiwitten om een ​​evenwicht tussen mechanische eigenschappen te bereiken. De technische uitdaging ligt in het op een controleerbare manier reproduceren van dit ‘in elkaar grijpende’ effect in kunstmatige materialen.

Het team van Barthelat gelooft dat de sleutel ligt in de geometrie van de deeltjes. "Neem zand als voorbeeld. Het oppervlak van de zandkorrels is glad en de algehele vorm is convex. Het is bijna onmogelijk om een ​​echte in elkaar grijpende tussen de deeltjes te bereiken", legt promovendus Youhan Sohn uit. "Maar als we de vorm van een 'zandkorrel' veranderen, zullen het macroscopische gedrag en de mechanische eigenschappen ervan drastisch veranderen, inclusief het vermogen om met andere deeltjes te verstrengelen en in elkaar te grijpen."

Nadat ze zich realiseerden dat vorm een ​​sleutelfactor is, gebruikten de onderzoekers Monte Carlo-simulaties, een computationele methode, om de interacties tussen deeltjes met verschillende vormen te voorspellen en geometrische ontwerpen te vinden die de hoogste mate van verstrengeling produceren. Vervolgens valideerden ze de simulatieresultaten via een reeks ‘pickup-tests’ om te zien hoe de nieuw ontworpen deeltjes zich gedroegen tijdens de daadwerkelijke montage, het heffen en trillen.

Het experiment leverde uiteindelijk een onverwacht maar uiterst eenvoudig antwoord op: "tweebenige" deeltjes, vergelijkbaar met nietjes, vertoonden de sterkste neiging om in elkaar te grijpen. Na het stapelen van een groot aantal deeltjes in deze vorm kan het systeem stevig verstrengeld worden tot een geheel, maar ook onder bepaalde omstandigheden losgemaakt en verspreid worden.

Dit ontwerp brengt verschillende belangrijke prestatievoordelen met zich mee, waaronder de zeldzame combinatie van hoge sterkte en hoge taaiheid. Bij traditionele materialen gaat hoge sterkte vaak gepaard met een toename van de brosheid, terwijl hoge taaiheid vaak een afname van de sterkte betekent; dit verstrengelde deeltjesmateriaal bestaande uit "stapeldeeltjes" presteert echter goed wat betreft zowel treksterkte als taaiheid. Ph.D. student Saeed Pezeshki merkte op: "Ons verstrengelde deeltjesmateriaal gebruikt deze stapeldeeltjes om een ​​hoge sterkte te behouden en tegelijkertijd een uitstekende taaiheid te vertonen."

Een ander groot voordeel is de snelle montage en omkeerbare demontage van het systeem. Het onderzoeksteam heeft de mate van in elkaar grijpende deeltjes verfijnd door de trillingsmodus die op de deeltjesstapel wordt toegepast te veranderen: zachte trillingen met lage intensiteit helpen de deeltjes langzaam in de gaten tussen elkaar te 'boren', waardoor ze nauwere verstrengelingen vormen en de algehele sterkte; terwijl sterkere trillingen de oorspronkelijke contacttoestand zullen verstoren, waardoor de structuur uiteenvalt en de deeltjes terugkeren naar een vrij stromende korrelige toestand.

"Dit is een heel vreemd materiaal. Het is duidelijk geen vloeistof, maar het kan niet simpelweg als een vaste stof worden geclassificeerd", zei Barthelat. "Dit opent een nieuwe deur voor technisch ontwerp. Als je zo'n bal van verstrengelde deeltjes daadwerkelijk met je handen manipuleert, zal er een vreemd en surrealistisch gevoel zijn."

Van de mogelijke toepassingsrichtingen is duurzame architectuur een belangrijk scenario. Het onderzoeksteam voorziet dat toekomstige gebouwen en bruggen dit verstrengelde deeltjesmateriaal gedeeltelijk kunnen gebruiken als structuur of opvuleenheid: tijdens de gebruiksperiode hebben ze een goed draagvermogen; en wanneer de bouwopgave is voltooid of de structurele levensduur eindigt, kunnen ze als geheel worden gedemonteerd om hergebruik en recycling van componenten of deeltjes te realiseren.

Robotica is een ander mogelijk pad. Pezeshki onthulde dat hij in discussies met andere studenten geloofde dat dit materiële concept zou kunnen worden uitgebreid tot 'zwermrobotica': een groot aantal kleine robots zijn met elkaar verweven door vorm en mechanismeontwerp, en worden gecombineerd tot grotere en complexere structuren bij het uitvoeren van taken; nadat de taak is voltooid, worden ze losgemaakt van elkaar en verspreid om nieuwe instructies uit te voeren.

Barthelat gebruikte een bekend sciencefictionbeeld als metafoor - vergelijkbaar met de vloeibaar-metaalrobot T-1000 in de film "Terminator 2": hij kan in een kleine ruimte "vloeibaar" worden tot een vloeibare toestand en door obstakels heen gaan, en kan aan de andere kant opnieuw condenseren tot een volledige vorm. "Natuurlijk zijn de kosten van deze technologie momenteel erg hoog en zijn er nog steeds veel uitdagingen om grootschalige toepassing te realiseren, maar dit is een richting waar veel onderzoekers aandacht aan besteden", zei hij.

Momenteel is het team nog steeds bezig met het optimaliseren van dit materiaalsysteem en het uitproberen van complexere deeltjesontwerpen, zoals het toevoegen van extra uitstekende "poten" of "haken" om de deeltjes enigszins te laten lijken op de doornige tribulus die vaak op kleding wordt aangetroffen. Verwacht wordt dat dit type meervoudig uitstekende structuur het verstrengelingseffect verder zal versterken en de stabiliteit en aanpasbaarheid van de algehele structuur zal verbeteren.