Ein Ingenieurteam der University of Colorado Boulder demonstrierte kürzlich einen neuen Materialtyp mit Science-Fiction-Charakter: ein verschlungenes Partikelsystem aus kleinen Partikeln mit speziellen Formen, die frei zwischen „hartem Ganzen“ und „loser Flüssigkeit“ wechseln können. Die Forscher ließen sich von einem Paar gewöhnlicher Büroklammern inspirieren. Wenn eine große Anzahl von Klammern zu einer Kugel verwickelt ist, widerstehen sie beim Ziehen wie ein Ganzes äußeren Kräften. Wenn sie jedoch auf bestimmte Weise vibriert oder geschüttelt werden, lösen sie sich schnell und fallen zu einem Haufen getrennter Metallstreifen zusammen.
Dieses Phänomen hat Forscher dazu veranlasst, Materialdesign-Ansätze zu überdenken: Anstelle traditioneller monolithischer Feststoffe oder chemischer Bindungen ausgehend von geometrischen Formen eine große Anzahl kleiner Partikel zu verwenden, die durch physikalische Verschränkung miteinander „verbunden“ werden können, um eine Gesamtstruktur aufzubauen, während sie gleichzeitig bei Bedarf schnell zerfallen können. „Wir experimentieren seit vielen Jahren mit Konfigurationen und Geometrien, aber erst vor kurzem haben wir begonnen, ineinandergreifende, verschränkte Teilchen ernsthaft zu untersuchen“, sagte Professor Francois Barthelat, Leiter des Projekts und Direktor des Labors für fortgeschrittene Materialien und Bio-Inspiration. „Dieses System kann eine einzigartige Reihe von Leistungskombinationen aufweisen, und wir glauben, dass es viel Raum für technische Fantasie bietet.“
Die im Journal of Applied Physics veröffentlichte Studie nennt dieses Phänomen „Verschränkung“ – den Prozess, bei dem sich Teilchen miteinander verschränken und strukturelle Verbindungen eingehen. Ähnliche Prinzipien sind in der Natur bekannt: Vogelnester beruhen auf der Verflechtung von Zweigen und Fasern, um ihre Festigkeit zu gewährleisten, und Knochen beruhen auf der Verbindung zwischen starren Mineralien und weichen Proteinen, um ein Gleichgewicht der mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Die technische Herausforderung besteht darin, diesen „ineinandergreifenden“ Effekt in künstlichen Materialien kontrollierbar zu reproduzieren.
Barthelats Team glaubt, dass der Schlüssel in der Geometrie der Teilchen liegt. „Nehmen Sie Sand als Beispiel. Die Oberfläche der Sandkörner ist glatt und die Gesamtform ist konvex. Es ist nahezu unmöglich, eine echte Verzahnung zwischen den Partikeln zu erreichen“, erklärt Doktorand Youhan Sohn. „Aber wenn wir die Form eines ‚Sandkorns‘ ändern, ändern sich sein makroskopisches Verhalten und seine mechanischen Eigenschaften drastisch, einschließlich der Fähigkeit, sich mit anderen Partikeln zu verschränken und zu verzahnen.“
Nachdem die Forscher erkannt hatten, dass die Form ein Schlüsselfaktor ist, verwendeten sie Monte-Carlo-Simulationen, eine Berechnungsmethode, um die Wechselwirkungen zwischen Partikeln unterschiedlicher Form vorherzusagen und geometrische Designs zu finden, die den höchsten Grad an Verschränkung erzeugen. Anschließend validierten sie die Simulationsergebnisse durch eine Reihe von „Pickup-Tests“, um zu sehen, wie sich die neu entworfenen Partikel während der tatsächlichen Montage, beim Heben und bei Vibrationen verhielten.
Das Experiment lieferte schließlich eine unerwartete, aber äußerst einfache Antwort: „Zweibeinige“ Partikel ähnlich wie Klammern zeigten die stärkste Tendenz, sich zu verzahnen. Nach dem Stapeln einer großen Anzahl von Partikeln in dieser Form kann das System eng zu einem Ganzen verwickelt werden und unter bestimmten Bedingungen auch gelöst und dispergiert werden.
Dieses Design bringt mehrere wichtige Leistungsvorteile mit sich, darunter die seltene Kombination aus hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit. Bei herkömmlichen Materialien geht eine hohe Festigkeit oft mit einer Zunahme der Sprödigkeit einher, während eine hohe Zähigkeit oft eine Abnahme der Festigkeit bedeutet; Dieses aus „Stapelpartikeln“ bestehende verschlungene Partikelmaterial weist jedoch sowohl hinsichtlich der Zugfestigkeit als auch der Zähigkeit eine gute Leistung auf. Ph.D. Student Saeed Pezeshki bemerkte: „Unser verschlungenes Partikelmaterial nutzt diese Stapelpartikel, um eine hohe Festigkeit beizubehalten und gleichzeitig eine ausgezeichnete Zähigkeit aufzuweisen.“
Ein weiterer großer Vorteil ist der schnelle Auf- und Abbau des Systems. Das Forscherteam optimierte den Grad der Verzahnung zwischen den Partikeln, indem es den auf den Partikelhaufen angewendeten Vibrationsmodus änderte: Sanfte Vibrationen geringer Intensität helfen den Partikeln, sich langsam in die Lücken untereinander zu „bohren“, wodurch engere Verflechtungen entstehen und die Gesamtfestigkeit verbessert wird. Während stärkere Vibrationen den ursprünglichen Kontaktzustand stören, löst sich die Struktur auf und die Partikel kehren in einen frei fließenden körnigen Zustand zurück.
„Das ist ein sehr seltsames Material. Es ist offensichtlich keine Flüssigkeit, aber es kann nicht einfach als Feststoff klassifiziert werden“, sagte Barthelat. „Dies öffnet eine neue Tür für technisches Design. Wenn man eine solche Kugel aus ineinander verschlungenen Partikeln tatsächlich mit den Händen manipuliert, entsteht ein seltsames und surreales Gefühl.“
Unter den möglichen Anwendungsrichtungen ist nachhaltige Architektur ein wichtiges Szenario. Das Forschungsteam stellt sich vor, dass zukünftige Gebäude und Brücken dieses verwickelte Partikelmaterial teilweise als Struktur oder Fülleinheit nutzen können: Während der Nutzungsdauer sind sie gut tragfähig; und wenn die Bauaufgabe abgeschlossen ist oder die Lebensdauer des Bauwerks endet, können sie als Ganzes demontiert werden, um die Wiederverwendung und das Recycling von Komponenten oder Partikeln zu ermöglichen.
Robotik ist ein weiterer möglicher Weg. Pezeshki verriet, dass er in Gesprächen mit anderen Studenten davon überzeugt war, dass dieses Materialkonzept auf die „Schwarmrobotik“ ausgeweitet werden könnte: Eine große Anzahl kleiner Roboter verstrickt sich durch Form- und Mechanismusdesign miteinander und wird bei der Ausführung von Aufgaben zu größeren und komplexeren Strukturen kombiniert; Nachdem die Aufgabe abgeschlossen ist, werden sie voneinander entwirrt und verteilt, um neue Anweisungen auszuführen.
Barthelat nutzte als Metapher ein bekanntes Science-Fiction-Bild – ähnlich dem Flüssigmetallroboter T-1000 im Film „Terminator 2“: Er kann sich auf kleinem Raum in einen flüssigen Zustand „verflüssigen“, Hindernisse überwinden und auf der anderen Seite wieder zu einer vollständigen Form kondensieren. „Natürlich sind die Kosten dieser Technologie derzeit sehr hoch und es gibt noch viele Herausforderungen, um eine groß angelegte Anwendung zu erreichen, aber dies ist eine Richtung, auf die viele Forscher achten“, sagte er.
Derzeit arbeitet das Team noch daran, dieses Materialsystem weiter zu optimieren und komplexere Partikeldesigns auszuprobieren, beispielsweise durch das Hinzufügen zusätzlicher hervorstehender „Beine“ oder „Haken“, um den Partikeln eine gewisse Ähnlichkeit mit dem dornigen Tribulus zu verleihen, der häufig auf Kleidung zu finden ist. Es wird erwartet, dass diese Art von Struktur mit mehreren Vorsprüngen den Verschränkungseffekt weiter verstärkt und die Stabilität und Einstellbarkeit der Gesamtstruktur verbessert.