Een nieuwe studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang ontdekte dat bepaalde soorten materialen een "geheugen" hebben van hoe ze werden verwerkt, opgeslagen, en gemanipuleerd. Onderzoekers konden dit geheugen vervolgens gebruiken om te bepalen hoe een materiaal veroudert en om specifieke eigenschappen te coderen die het mogelijk maken om nieuwe functies uit te voeren. Deze creatieve benadering voor het ontwerpen van materialen was het resultaat van een samenwerking tussen Penn's Andrea Liu en Sidney R. Nagel, Nidhi Pashine, en Daniel Hexner van de Universiteit van Chicago.

Liu en Nagel werken al vele jaren samen aan de fysica van ongeordende systemen. In tegenstelling tot geordende systemen, die systematische en herhalende patronen hebben, ongeordende systemen zijn willekeurig gerangschikt. Een illustratief voorbeeld is een natuurlijke wand van dicht opeengepakt vuil, waar individuele korrels niet netjes worden gestapeld, maar in plaats daarvan samenklonteren om een ​​stijve structuur te vormen. Onderzoekers zijn geïnteresseerd in deze systemen omdat ze door hun willekeur gemakkelijk kunnen worden omgezet in nieuwe mechanische metamaterialen met unieke mechanische eigenschappen.

Een belangrijke eigenschap die materiaalwetenschappers willen beheersen, is hoe een materiaal reageert wanneer een externe kracht wordt uitgeoefend. Wanneer de meeste materialen in één richting worden uitgerekt, ze krimpen loodrecht, en wanneer ze worden samengedrukt, zetten ze loodrecht uit, als een elastiekje - als het wordt uitgerekt, wordt het dun, en wanneer gecomprimeerd dikker wordt.

Materialen die het tegenovergestelde doen, degenen die loodrecht krimpen wanneer ze worden samengedrukt en dikker worden wanneer ze worden uitgerekt, staan ​​bekend als auxetica. Deze materialen zijn zeldzaam, maar men vermoedt dat ze beter zijn in het absorberen van energie en breukvaster zijn. Onderzoekers zijn geïnteresseerd in het maken van auxetische materialen om de functie te helpen verbeteren van materialen die, onder andere, schok kon absorberen.

In dit onderzoek, de onderzoekers wilden zien of ze het "geheugen" van een ongeordend materiaal van de eerdere spanningen die het was tegengekomen, konden gebruiken om het materiaal in iets nieuws te transformeren. Eerst, ze voerden computersimulaties uit van normale materialen onder druk en veranderden selectief atomaire bindingen om te zien welke veranderingen het materiaal auxetisch konden maken. Ze ontdekten dat, door de bindingen langs de gebieden met de meeste externe stress te verbreken, ze zouden digitaal een auxetisch materiaal kunnen creëren.

Met behulp van dit inzicht, het team nam vervolgens een piepschuimachtig materiaal en voegde "geheugen" toe door het materiaal onder gespecificeerde spanningen te laten verouderen. Om het materiaal auxetisch te maken, oefenden ze een constante druk uit op het materiaal en lieten het op natuurlijke wijze verouderen. "Met de hele zaak onder druk, het heeft zichzelf aangepast. Het veranderde zichzelf van een normaal materiaal in een mechanisch metamateriaal, " zegt Liu.

Dit ongelooflijk eenvoudige en effectieve proces is een stap dichter bij een materiaalwetenschap "heilige graal" om materialen te kunnen maken met specifieke structuren op atomair niveau zonder de noodzaak van apparatuur met hoge resolutie of modificaties op atomair niveau. De aanpak die in dit artikel wordt beschreven, vereist in plaats daarvan slechts een beetje geduld, terwijl het systeem "geheugen" krijgt en vervolgens op natuurlijke wijze veroudert.

Liu zegt dat het een "totaal andere" manier is om na te denken over het maken van nieuwe materialen. "Je begint met een ontregeld systeem, en als je de juiste spanningen toepast, kun je het laten uitkomen met de eigenschappen die je wilt, " ze zegt.

Dit werk heeft ook een sterke connectie met structuren in de biologie. organen, enzymen, en filamentnetwerken zijn natuurlijke voorbeelden van ongeordende systemen die vanwege hun complexiteit moeilijk synthetisch na te bootsen zijn. Nutsvoorzieningen, onderzoekers zouden deze eenvoudigere benadering als uitgangspunt kunnen gebruiken om complexe, door de mens gemaakte structuren te creëren die geïnspireerd zijn op het brede scala aan eigenschappen die in de biologie worden gezien.

Nagel is optimistisch over de toekomst. "Naast het maken van auxetische materialen, " hij zegt, "We hebben ook een computer gebruikt om te ontwerpen in nauwkeurige mechanische controle van afgelegen delen van het materiaal door lokale spanningen toe te passen. Ook dit is geïnspireerd door biologische activiteit. We moeten nu zien of dit, te, kan aan het werk worden gemaakt door een echt materiaal in het laboratorium te laten rijpen."

"De mogelijkheden in dit stadium lijken onbegrensd, ", zegt Nagel. "Alleen door verder theoretisch werk en experimenten zullen we beginnen te begrijpen wat de grenzen zijn aan dit nieuwe concept van materiaalontwerp."