En ny studie publicerad i Vetenskapens framsteg fann att vissa typer av material har ett "minne" av hur de bearbetades, lagrat, och manipuleras. Forskare kunde sedan använda detta minne för att kontrollera hur ett material åldras och för att koda specifika egenskaper som gör att det kan utföra nya funktioner. Detta kreativa tillvägagångssätt för att designa material var resultatet av ett samarbete mellan Penns Andrea Liu och Sidney R. Nagel, Nidhi Pashine, och Daniel Hexner från University of Chicago.

Liu och Nagel har arbetat tillsammans i många år med fysik av störda system. I motsats till beställda system, som har systematiska och återkommande mönster, oordnade system är ordnade slumpmässigt. Ett illustrativt exempel är en naturlig vägg gjord av tätt packad smuts, där enskilda korn inte är snyggt staplade utan istället klumpar ihop sig för att bilda en styv struktur. Forskare är intresserade av dessa system eftersom deras slumpmässighet gör att de enkelt kan omvandlas till nya mekaniska metamaterial med unika mekaniska egenskaper.

En viktig egenskap som materialforskare skulle vilja kontrollera är hur ett material reagerar när en yttre kraft appliceras. När de flesta material sträcks i en riktning, de krymper vinkelrätt, och när de komprimeras expanderar de vinkelrätt, som ett gummiband – när det sträcks blir det tunt, och när den komprimeras blir den tjockare.

Material som gör det motsatta, de som krymper vinkelrätt när de komprimeras och blir tjockare när de sträcks, är kända som auxetics. Dessa material är sällsynta men misstänks vara bättre på att absorbera energi och vara mer frakturbeständiga. Forskare är intresserade av att skapa auxetiska material för att förbättra funktionen hos material som, bland annat, kunde absorbera stötar.

I den här studien, forskarna ville se om de kunde använda ett oordnat materials "minne" av de tidigare påfrestningar det hade stött på för att omvandla materialet till något nytt. Först, de körde datorsimuleringar av normala material under tryck och selektivt förändrade atombindningar för att se vilka förändringar som skulle kunna göra materialet auxetic. De upptäckte att genom att skära av bindningarna längs de områden som har störst yttre påfrestning, de kunde skapa ett auxetiskt material digitalt.

Med hjälp av denna insikt, teamet tog sedan ett frigolitliknande material och lade till "minne" genom att låta materialet åldras under specificerade påfrestningar. För att göra materialet auxetic applicerade de ett konstant tryck på materialet och lät det åldras naturligt. "Med det hela under press, den anpassade sig själv. Det förvandlade sig från ett normalt material till ett mekaniskt metamaterial, säger Liu.

Denna otroligt enkla och effektiva process är ett steg närmare en materialvetenskaplig "helig gral" för att kunna skapa material med specifika strukturer på atomnivå utan behov av högupplöst utrustning eller modifieringar på atomnivå. Tillvägagångssättet som beskrivs i denna artikel kräver istället bara lite tålamod medan systemet får "minne" och sedan åldras naturligt.

Liu säger att det är ett "helt annorlunda" sätt att tänka på att göra nya material. "Du börjar med ett stört system, och om du applicerar rätt påfrestningar kan du få det att komma ut med de egenskaper du vill ha, " hon säger.

Detta arbete har också en stark koppling till strukturer inom biologin. Organ, enzymer, och filamentnätverk är naturliga exempel på oordnade system som är svåra att emulera syntetiskt på grund av deras komplexitet. Nu, forskare skulle kunna använda detta enklare tillvägagångssätt som utgångspunkt för att skapa komplexa mänskligt skapade strukturer som hämtar inspiration från det breda utbudet av egenskaper som ses inom biologi.

Nagel är optimistisk inför framtiden. "Förutom att göra extra material, " han säger, "Vi har också använt en dator för att utforma exakt mekanisk kontroll av avlägsna delar av materialet genom att applicera lokala påfrestningar. Även detta är inspirerat av biologisk aktivitet. Vi måste nu se om detta, för, kan fås att fungera genom att åldra ett riktigt material i laboratoriet."

"Möjligheterna i detta skede verkar obegränsade, ", säger Nagel. "Endast genom ytterligare teoretiskt arbete och experiment kommer vi att börja förstå vad som är gränserna för detta nya koncept för materialdesign."