US-Wissenschaftler arbeiten an der Entwicklung von Verbundwerkstoffen nach Vorbild von Grundnahrungsmitteln

Forscher der University of Colorado Boulder entwickeln eine neue Klasse von „verschränkten Materialien“, die von der überraschenden Festigkeit eines verhedderten Balles von Büroklammern inspiriert sind.

Ähnlich wie ein N Forscher der University of Colorado Boulder entwickeln eine neue Klasse von „verschränkten Materialien“, die von der überraschenden Festigkeit eines verhedderten Balles von Büroklammern inspiriert sind.

Ähnlich wie ein Nistbaum oder ein Distelkern gewinnt ein Cluster von Büroklammern seine Festigkeit durch geometrische Verhakung und nicht durch chemische Bindungen.

Aber es behält die Fähigkeit, durch

Aber es behält die Fähigkeit, durch gezielte Vibration augenblicklich wieder in ein loses Stück überzugehen.“Wir spielen seit vielen Jahren mit der Idee von Bausteinen und Geometrie, aber wir haben erst vor Kurzem begonnen, an ineinandergreifenden, verschränkten Teilchen zu forschen“, sagte Professor Francois Barthelat, Leiter des Laboratory for Advanced Materials and Bioinspiration.

„Wir sind begeistert von der Kombination von Eigenschaften, die wir aus diesen Systemen gewinnen können, und wir glauben, dass diese Technologie das Potenzial hat, in viele Richtungen zu gehen“, fügte Barthelat hinzu. Geometrie des Griffs Die Arbeit dreht sich um „Verschränkung“ (Entanglement).

Dadurch ahmen Forscher natürliche Strukturen wie Vogelnester und Knochenminerale nach, um ultra-starke künstliche Materialien zu schaffen. Die Partikelform ist dabei entscheidend.

Im Vergleich zu glatten Sandkörnern, die

Im Vergleich zu glatten Sandkörnern, die auseinandergleiten, ermöglichen spezialisierte Geometrien es einzelnen Teilen, sich physisch miteinander zu verflechten.

Diese mechanische Verriegelung erzeugt einen kohäsiven Link, der strukturelle Integrität ohne den Einsatz von Klebstoffen bietet.

„Nehmen wir Sand als Beispiel.

Sand ist glatt und konvex geformt,

Sand ist glatt und konvex geformt, was bedeutet, dass er nicht von Korn zu Korn ineinandergreifen kann“, sagte Youhan Sohn, Doktorand.

„Allerdings fanden wir heraus, dass wir, wenn wir die Form eines Sandkorns ändern, sein Verhalten und seine mechanischen Eigenschaften drastisch beeinflussen können, einschließlich der Fähigkeit des Partikels, mit anderen Partikeln zu verknüpfen“, erklärte Sohn.

Für die Studie wurden Monte-Carlo-Simulationen verwendet, um die Partikelgeometrie zu analysieren, und es wurde festgestellt, dass „zweibeinige“ Klammerformen die effektivste mechanische Verriegelung bieten.

Anstatt lose gestapelt zu werden, verhaken

Anstatt lose gestapelt zu werden, verhaken und verflechten sich diese U-förmigen Partikel zu einer einzigen Masse, die sich hartnäckig weigert, auseinandergezogen zu werden. Physikalische Tests ergaben, dass diese verflochtenen Partikel einen seltenen doppelten Vorteil besitzen: Sie behalten gleichzeitig Zugfestigkeit und außergewöhnliche Zähigkeit bei.

Die Nutzung von Vibrationen Die wahre Stärke dieses Materials liegt in seiner Reaktion auf ein einfaches Summen. Standardmaterialien sind permanent.

Beispielsweise ist eine Betonbrücke ewig, bis sie zu Staub zerbrochen wird. Aber Barthelats verflochtene Partikel sind anders.

Das herausragende Merkmal des Materials ist

Das herausragende Merkmal des Materials ist seine Fähigkeit zur schnellen, reversiblen Selbstmontage, gesteuert durch Schwingungsmuster. Interessanterweise können die Verflochtungsgrade durch diese Vibrationen bei Bedarf moduliert werden.

Sanfte Frequenzen können die Partikel in eine starre Struktur verriegeln, während intensivere Vibrationen das vollständige Auseinanderfallen der Masse auslösen. „Es ist ein seltsames Material, weil es offensichtlich kein Flüssigkeit ist.

Aber es ist auch nicht ganz fest.“ „Dies eröffnet neue und faszinierende technische Möglichkeiten“, sagte Barthelat.

Mögliche Anwendungen

„Die Handhabung eines solchen Bündels verschränkter Teilchen fühlt sich sehr fern und exotisch an.“ Verschränkte Materialien bieten Potenzial für Nachhaltigkeit und fortschrittliche Technologie, insbesondere im Bauingenieurwesen und in der Robotik.

Sie könnten es ermöglichen, großflächige Strukturen wie Brücken „zu entzippen“ und wiederzuverwerten, anstatt sie abzureißen. Letztendlich könnte diese Technologie eine Kreislaufwirtschaft unterstützen.

Darüber hinaus könnte sie die Schwarmrobotik voranbringen und es ermöglichen, Flotten kleiner Maschinen zu funktionalen Werkzeugen miteinander zu verhaken und sie später zu entwirren, um enge Räume zu navigieren – ein reales Pendant zu den Formwechsel-Fähigkeiten der Science-Fiction.

„Ja, so etwas wie das flüssige

„Ja, so etwas wie das flüssige Metall T-1000 aus Terminator 2, das seine Form ändern kann, um unter einer Tür hindurchzuschlüpfen und auf der anderen Seite wieder auf die Größe eines Menschen zu transformieren“, fügte Barthelat hinzu.

Die Forscher erweitern derzeit die Grenzen ihrer Arbeit, indem sie mehrbeinige Partikelformen testen, die nach hochhaftenden Pflanzenkleben modelliert sind, um eine noch stärkere Verschränkung zu erreichen. Die Studie wurde im Journal of Applied Physics veröffentlicht.