Eksperymenty przeprowadzone w laboratorium Caltech Chiary Daraio, profesora inżynierii mechanicznej i fizyki stosowanej G. Bradforda Jonesa oraz badacza Heritage Medical Research Institute, dostarczyły fascynującego nowego typu materii, ani ziarnistej, ani krystalicznej, która reaguje na niektóre naprężenia jak płyn a dla innych jak ciało stałe. Nowy materiał, znany jako PAM (oznaczający polikatenowane materiały architektoniczne), może mieć zastosowanie w różnych obszarach, od hełmów i innego sprzętu ochronnego po urządzenia biomedyczne i robotykę.
PAM-y nie występują w naturze, chociaż ich podstawowa forma jest nam znana dzięki tysiącletniej produkcji kolczug: małe metalowe pierścienie połączone ze sobą w celu utworzenia siatki, najczęściej używanej jako elastyczna forma zbroi. PAM-y są jednak jak kolczuga na sterydach. Zgodnie z podstawową zasadą blokowania kształtów, takich jak te występujące w łańcuchu, PAM składają się z różnych kształtów połączonych ze sobą, tworząc trójwymiarowe wzory, których konfiguracje są niemal niewyobrażalnie zmienne. Powstałe materiały, które Daraio i jej współpracownicy wyrenderowali za pomocą drukarek 3D, wykazują zachowania niespotykane w innych typach materiałów.
Wenjie Zhou, pracownik naukowy ze stopniem doktora w dziedzinie inżynierii mechanicznej i lądowej, od dwóch lat pracuje nad tego typu materiałami w laboratorium Daraio. „Byłem chemikiem i chciałem stworzyć te struktury w skali molekularnej, ale okazało się to zbyt trudne. Aby uzyskać odpowiedzi na pytania dotyczące zachowania tych struktur, zdecydowałem się dołączyć do grupy Chiary i studiować PAM na Uniwersytecie większą skalę.”
PAM stworzone i zbadane przez grupę Daraio zostały najpierw modelowane komputerowo i zaprojektowane tak, aby replikować struktury sieciowe występujące w substancjach krystalicznych, ale z ustalonymi cząstkami kryształu zastąpionymi splątanymi pierścieniami lub klatkami o wielu bokach.
Siatki te następnie wydrukowano trójwymiarowo przy użyciu różnych materiałów, w tym polimerów akrylowych, nylonu i metali. Gdy PAM-y można było trzymać w dłoni (większość prototypów to 5-centymetrowe (2-calowe) sześciany lub kule o średnicy 5 cm) były one wystawiane na różnego rodzaju obciążenia fizyczne. „Zaczęliśmy od ściskania” – wyjaśnia Zhou – „za każdym razem nieco mocniej ściskając obiekty. Następnie wypróbowaliśmy proste ścinanie, siłę boczną, podobną do tej, którą zastosowałbyś, próbując rozerwać materiał. W końcu nam się udało badania reologiczne, sprawdzając, jak materiały reagują na skręcanie, najpierw wolniej, a następnie szybciej i silniej.”
W niektórych scenariuszach te PAM zachowywały się jak ciecze. „Wyobraźmy sobie, że poddajemy wodę działaniu naprężenia ścinającego” – mówi Zhou. „Opór byłby zerowy. Ponieważ PAM mają wszystkie skoordynowane stopnie swobody, a pierścienie i klatki, z których się składają, ślizgają się względem siebie, podobnie jak ogniwa łańcucha, wiele z nich ma bardzo mały opór ścinania”. Ale kiedy te struktury są ściśnięte, mogą stać się całkowicie sztywne i zachowywać się jak ciała stałe.
Ta dynamika sprawia, że PAM-y są wyjątkowe. „PAM to naprawdę nowy rodzaj materii” – mówi Daraio. „Wszyscy mamy na myśli wyraźne rozróżnienie, gdy myślimy o materiałach stałych i materiach ziarnistych. Materiały stałe są często opisywane jako sieci krystaliczne. To właśnie widać w klasycznych modelach kulowo-kijowych obiektów atomowych, chemicznych lub większych krystalicznych To właśnie te materiały ukształtowały nasze konwencjonalne rozumienie materii stałej. Druga klasa materiałów to materiały ziarniste, jak widzimy w przypadku substancji takich jak ryż, mąka czy mielona kawa. Materiały te składają się z odrębnych cząstek, które mogą się swobodnie poruszać i ślizgają się względem siebie.”
PAM przeciwstawiają się tej binarnej klasyfikacji. „W przypadku PAM poszczególne cząstki są połączone tak, jak w strukturach krystalicznych, a jednak, ponieważ cząstki te mogą swobodnie poruszać się względem siebie, płyną, ślizgają się po sobie i zmieniają swoje względne położenie, więcej jak ziarenka piasku” – wyjaśnia Daraio. „PAM-y mogą bardzo się od siebie różnić. Można je drukować w materiałach gąbczastych lub twardych. Można zmieniać kształt każdej cząstki i zmieniać siatkę używaną do łączenia tych cząstek. Każdy z tych parametrów wpływa na zachowanie powstałego materiału, ale wszystkie wykazują charakterystyczne przejście pomiędzy zachowaniem cieczy i ciała stałego. To przejście może nastąpić w różnych okolicznościach, ale zawsze tak się dzieje.
„Od 20 do 30 lat materiały architektoniczne stanowią znaczącą dziedzinę nauk o materiałach i inżynierii materiałowej” – mówi Daraio. „Ale jako hybrydy materiałów ziarnistych i materiałów odkształcalnych elastycznie, PAM są ekscytujące i nowe. Mamy teorie opisujące materię ziarnistą i teorie opisujące elastycznie odkształcalną materię, ale nic, co uchwyciłoby te materiały pośrednie. To fascynująca granica, która obiecuje na nowo zdefiniować, czym są materiały i jak się zachowują.”
Na tym etapie potencjalne zastosowania PAM są w dużej mierze spekulatywne, niemniej jednak intrygujące, mówi Daraio: „Materiały te mają unikalne właściwości pochłaniania energii. Ponieważ każdy element może się przesuwać, obracać i reorganizować względem siebie, mogą one bardzo efektywnie rozpraszać energię”. co czyni je lepszymi kandydatami do stosowania w hełmach lub innych rodzajach wyposażenia ochronnego niż obecnie stosowane pianki. Ta właściwość czyni je podobnie atrakcyjnymi do stosowania w opakowaniach lub w każdym środowisku, w którym wymagana jest amortyzacja lub stabilizacja.
Eksperymenty z PAM w mikroskali wykazały, że będą się one rozszerzać lub kurczyć w odpowiedzi na przyłożone ładunki elektryczne, a także siły fizyczne, co sugeruje możliwe zastosowania w urządzeniach biomedycznych lub miękkiej robotyce.
Współautor Liuchi Li (doktorat '20), obecnie adiunkt inżynierii lądowej i środowiskowej na Uniwersytecie Princeton, jest entuzjastycznie nastawiony do przyszłości PAM: „Możemy sobie wyobrazić wykorzystanie zaawansowanych technik sztucznej inteligencji w celu przyspieszenia eksploracji tej ogromnej przestrzeni projektowej. Tylko drapiemy powierzchnię tego, co jest możliwe.”
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Science pod tytułem „Polikatenowane materiały architektoniczne 3D”. Współautorami są Zhou, Daraio, Sujeeka Nadarajah, Hujie Yan (MS '24), Aashutosh K. Prachet i Payal Patel z Caltech; Li z Uniwersytetu Princeton; oraz Anna Guell Izard i Xiaoxing Xia (doktorat '19) z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Zasoby obliczeniowe zapewniło Centrum Obliczeniowe Wysokiej Wydajności w Caltech, a badania sfinansowały Biuro Badań Armii, Fundusz Innowacji Gary'ego Clinarda, LLNL i Departament Energii Stanów Zjednoczonych.