Birbirine sıkıca sıkıştırılmış bir avuç ofis zımba teli şaşırtıcı bir davranış sergileyebiliyor. Pek çok ayrı parçadan oluşmasına rağmen, bu dolanık kütleyi ayırmak oldukça zor olabiliyor ve neredeyse tek bir katı cisim gibi davranabiliyor.
Ancak aynı yığın, doğru titreşim veya hareketle hızla çözülüp gevşek bir parça koleksiyonuna dönüşebiliyor.
CU Boulder'daki Paul M. Rady Makine Mühendisliği Bölümü'ndeki araştırmacılar, bu sıra dışı güç ve tersinirlik kombinasyonunun yeni nesil mühendislik malzemelerine ilham verebileceğine inanıyor. Zımba tellerine benzer şekilde birbirine kenetlenen parçacıklar tasarlayarak güçlü, uyarlanabilir ve potansiyel olarak geri dönüştürülebilir malzemeler yaratmayı hedefliyorlar.
Laboratuvar için İleri Malzemeler ve Biyoilham'ın başkanı Profesör Francois Barthelat, "Yıllardır yapı taşları ve geometri fikriyle oynuyoruz ancak birbirine kenetlenen, dolanık parçacıklara bakmaya yeni başladık," dedi. "Bu sistemlerden elde edebileceğimiz özelliklerin kombinasyonu konusunda heyecanlıyız ve bu teknolojinin birçok yöne gidebilecek potansiyele sahip olduğuna inanıyoruz."
Bulgular yakın zamanda Journal of Applied Physics dergisinde yayımlandı.
Tac-bacaklı zımba tellerinden yapılmış bir kemerin yakın çekimi. Kaynak: CU BoulderDolanık Parçacıklar Nasıl Güç Yaratır?
Araştırma, parçacıkların birbirine dolanıp bağlantı oluşturmasıyla ortaya çıkan 'dolanıklık' olgusu üzerine odaklanıyor.
Dolanıklık doğada yaygındır. Örneğin kuş yuvaları, birbirine geçmiş dal ve lif ağları sayesinde yapılarını korur. Kemikler de sert mineral bileşenler ile daha yumuşak proteinlerin etkileşiminden güç kazanır.
CU Boulder ekibi, benzer ilkelerin üretilmiş malzemelerde nasıl kullanılabileceğini anlamak istedi. Çalışmaları, kritik bir faktöre işaret etti: parçacıkların şekli.
Doktora öğrencisi Youhan Sohn, "Örnek olarak kumu ele alalım. Kum taneleri pürüzsüz ve dışbükeydir, yani bir taneden diğerine kenetlenemezler," dedi. "Ancak bir kum tanesinin şeklini değiştirirsek, parçacığın diğer parçacıklarla bağlantı kurma yeteneği de dahil olmak üzere davranışını ve mekanik özelliklerini kökten etkileyebileceğini bulduk."
Araştırmacılar daha ileri gitmek için farklı parçacık şekillerinin nasıl etkileşime girdiğini incelemelerini sağlayan Monte Carlo simülasyonları kullandı. Amaçları, dolanıklığı en üst düzeye çıkaracak bir geometri belirlemekti.
Zımba Şeklindeki Parçacıklar Neden Öne Çıkıyor?
Simülasyonlarla umut verici tasarımları belirledikten sonra ekip, parçacıkların gerçek dünya koşullarında nasıl davrandığını gözlemlemek için tutma testleri yaptı.
Sonuçlar, bir zımbayı andıran 'iki bacaklı' bir parçacığın en yüksek dolanıklık derecesini sağladığını ortaya koydu. Araştırmacılar ayrıca bu şeklin beklenmedik birkaç fayda daha sunduğunu buldu.
Bunlardan en dikkat çekeni, geleneksel malzemelerde bir arada elde edilmesi genellikle zor olan çekme dayanımını ve tokluğu birleştirme yeteneğiydi.
Doktora öğrencisi Saeed Pezeshki, "Zımba benzeri parçacığı kullanan dolanık granüler malzememiz, aynı anda hem yüksek dayanım hem de tokluk sergiliyor," dedi.
Zımba benzeri parçacıklar başka bir sıra dışı özellik daha sergiledi: hızla bir araya gelip daha güçlü bir yapı oluşturabiliyor, ardından aynı hızla tekrar ayrılabiliyorlardı.
Araştırmacılar farklı titreşim desenleri uygulayarak parçacıkların ne kadar güçlü bir şekilde dolanacağını kontrol edebildi. Hafif titreşimler parçacıkların birbirine kenetlenip malzemeyi güçlendirmesini sağlarken, daha güçlü titreşimler ağın çözülmesine neden oldu.
Barthelat, "Bu, açıkça bir sıvı olmadığı için garip bir malzeme. Ancak tamamen katı da değil. Bu da yeni ve ilgi çekici mühendislik olanakları sunuyor," dedi. "Bu dolanık parçacıklardan oluşan bir demeti tutmak çok farklı ve egzotik bir his veriyor."
İnşaat ve Robotikte Potansiyel Kullanımlar
Araştırmacılar, bu teknolojinin nihayetinde inşaatta daha sürdürülebilir yaklaşımları destekleyebileceğine inanıyor.
Gelecekte, köprüler, binalar ve diğer büyük yapılar, yıkılmak yerine daha sonra sökülebilen dolanık malzemeler kullanılarak inşa edilebilir. Bu tür malzemeler, kullanım ömürlerinin sonunda yeniden kullanılabilir veya tamamen geri dönüştürülebilir.
Konseptin robotik alanında da uygulamaları olabilir.
Pezeshki, "Bu teknolojinin sürü robotiğinde kullanılabileceğine inanan diğer öğrencilerle konuştum; küçük robotlar dolanarak bir görevi yerine getirebilir ve işleri bittiğinde çözülebilir," dedi.
Barthelat ise, "Evet, tıpkı Terminator 2'deki şekil değiştiren T-1000 gibi; bir kapının altından geçmek için şekil değiştirip diğer tarafta insan boyutuna geri dönebiliyor. Pahalı ve ölçeklendirmesi zor ama herkesin aklında olan bir şey," diye ekledi.
Daha da Güçlü Parçacık Tasarımlarının Test Edilmesi
Ekip şimdi araştırmanın bir sonraki aşamasına geçiyor.
En son deneyleri, ek 'bacaklara' sahip yeni bir parçacık tasarımına odaklanıyor. Araştırmacılar bu şekli, açık havada ayakkabılara ve giysilere inatla yapışan dikenli tohumlara benzetiyor. Bu ek özelliklerin daha da güçlü dolanıklık etkileri yaratabileceğine ve gelecekteki malzemeler için yeni olanaklar sunabileceğine inanıyorlar.
