Czy możliwe jest stworzenie materiału, który w zależności od warunków zachowuje się jak ciało stałe lub jak ciecz? Naukowcy z California Institute of Technology (Caltech) właśnie dokonali tego przełomu, opracowując PAMs (Polycatenated Architected Materials) 0 zupełnie nowy typ materii, który może znaleźć zastosowanie w ochronnych hełmach, robotyce, a nawet w medycynie.
Czytaj też: Zachowuje się jak ciecz, choć nią nie jest. Ten materiał pokazuje, dokąd zmierzają akumulatory
Materiał ten czerpie inspirację ze… średniowiecznej kolczugi, ale dzięki zaawansowanej technologii druku 3D został wyniesiony na zupełnie nowy poziom. Struktura PAMs opiera się na skomplikowanych, trójwymiarowych układach połączonych ze sobą elementów, które mogą przesuwać się względem siebie, co pozwala mu na adaptację do różnych warunków fizycznych.
Nowy typ materii – między ciałem stałym a cieczą
Zespół badaczy pod kierunkiem prof. Chiary Daraio zauważył, że PAMs nie pasują do klasycznych kategorii materii. W tradycyjnym rozumieniu ciała stałe posiadają uporządkowaną strukturę krystaliczną, podczas gdy materiały ziarniste – takie jak piasek czy mąka – składają się z niezależnych cząsteczek, które mogą swobodnie się przemieszczać.
Czytaj też: Zachowanie tych materiałów przeczy przewidywaniom. Polacy zajęli się ich badaniem
PAMs natomiast łączą cechy obu tych kategorii. W ich strukturze znajdują się elementy połączone w sposób przypominający sieć krystaliczną, ale jednocześnie mogą one ślizgać się i przesuwać względem siebie, co nadaje materiałowi właściwości płynnych substancji.
Prof. Chiara Daraio mówi:
To naprawdę nowy typ materii. PAMs potrafią zmieniać swoje właściwości w zależności od rodzaju działających na nie sił, co czyni je niezwykle dynamicznymi i adaptacyjnymi.
Prace nad tymi niezwykłymi materiałami prowadził m.in. dr Wenjie Zhou, który początkowo próbował odtworzyć ich strukturę w skali molekularnej. Okazało się to zbyt skomplikowane, więc zespół przeniósł swoje badania na większą skalę, wykorzystując technologię druku 3D do tworzenia modeli PAMs z materiałów takich jak nylon, termoplastyczny poliuretan (TPU) oraz stal.
W celu zbadania ich właściwości, naukowcy poddali je serii testów mechanicznych. Pod wpływem kompresji PAMs stawały się sztywne, zachowując się jak klasyczne ciała stałe. Jednak w przypadku działania sił ścinających, materiał wykazywał zdolność do płynnego przemieszczania się, podobnie jak ciecze.
Dr Wenjie Zhou wyjaśnia:
Można to porównać do wody, która nie stawia żadnego oporu na siły ścinające. Dzięki wyjątkowej architekturze PAMs, ich elementy mogą się swobodnie przesuwać, umożliwiając zmianę właściwości mechanicznych w zależności od rodzaju obciążenia.
Dzięki swojej zdolności do absorpcji energii PAMs mogą znaleźć zastosowanie w produkcji zaawansowanych materiałów ochronnych, takich jak kaski i pancerze. Ich elastyczna struktura pozwala na efektywne rozpraszanie energii uderzenia, co czyni je lepszym rozwiązaniem niż obecnie stosowane pianki ochronne.
Co więcej, badania opisane w Science wykazały, że PAMs mogą reagować nie tylko na siły fizyczne, ale także na pola elektryczne, co otwiera drzwi do ich zastosowania w biomedycynie i robotyce. Możliwość precyzyjnego kontrolowania ich kształtu i sztywności sprawia, że mogą zostać wykorzystane do tworzenia dynamicznych implantów medycznych czy elastycznych komponentów robotycznych.