一捆壓縮良好的辦公室訂書釘可以創造奇蹟。儘管由許多獨立的部分組成，但纏結的物體很難分開，幾乎就像一個單一的固體物體。
然而，捆綁本身很快就會瓦解。透過正確的振動或運動，訂書釘可以分離並返回鬆散的單一部件集合。
科羅拉多大學博爾德分校 Paul M. Rady 機械工程系的研究人員認為，這種強度和可逆性的不同尋常的組合可能有助於激發新一代工程材料的靈感。透過設計像葡萄一樣黏合的顆粒，他們希望創造出堅固、可塑且可回收的材料。
先進材料和生物靈感實驗室負責人弗朗索瓦·巴特拉教授說：“多年來，我們一直在研究構建塊和幾何形狀的想法，但直到最近我們才開始研究互連的粒子。” “我們對可以從這些系統中獲得的特性組合感到興奮，並相信這項技術具有向多個方向發展的潛力。”
研究結果最近發表 應用物理學雜誌。
糾纏粒子如何產生力
該研究基於一種稱為纏結的現象，這種現象發生在粒子混合並相互形成化學鍵時。
糾纏在自然界中很常見。例如，鳥巢依靠互鎖的樹枝和纖維網來維持其結構。骨骼也透過硬礦物質成分和軟蛋白質之間的相互作用獲得強度。
科羅拉多大學博爾德分校團隊希望了解如何使用類似的原理來製造人造材料。他們的工作指出了一個關鍵因素：顆粒本身的形狀。
「讓我們以沙子為例。沙子柔軟且凸出，這意味著它無法從顆粒到顆粒粘合，」博士生 Youhan Sohn 說。 “然而，我們發現，如果我們改變沙粒的形狀，我們可以極大地影響它的行為和機械性能，包括它將顆粒與其他顆粒結合的能力。”
為了進一步研究，研究人員使用了蒙特卡羅模擬，這是一種計算技術，使他們能夠研究不同顆粒形狀如何相互作用。他們的目標是確定一種可以最大限度地打結的幾何形狀。
為什麼短纖維形狀的顆粒會脫穎而出？
透過模擬確定有前景的設計後，團隊進行了收集測試，以觀察粒子在現實條件下的行為。
結果顯示，類似訂書釘的「兩條腿」顆粒產生了最高程度的纏結。研究人員也發現這種形式提供了一些意想不到的好處。
亮點之一是能夠將拉伸強度和硬度結合起來，這兩種特性在傳統材料中很難同時實現。
「我們使用短纖維狀顆粒的複雜顆粒材料同時表現出高強度和韌性，」博士生 Saeed Pezeshki 說。
這種類似訂書釘的顆粒也表現出另一個不尋常的特徵。它們可以迅速合併成一個更堅固的結構，然後又迅速分離。
透過應用不同的振動模式，研究人員能夠控制顆粒的混合程度。輕微的振動會導致顆粒互鎖並強化材料，而較強的振動會導致網路瓦解。
「這是一種奇怪的材料，因為它顯然不是液體。然而，它也不是很固體。這開啟了新的、有趣的工程可能性，」巴特拉說。 “處理這些糾纏粒子的陣列是非常牽強和奇異的。”
在建築和機器人領域的可能用途
研究人員相信，這項技術最終可以支持更永續的建築方法。
未來，橋樑、建築物和其他大型結構可以使用混合材料建造，而不是隨後拆除。這些材料在使用壽命結束時可以重複使用或完全回收。
這個概念也可能在機器人領域有應用。
「我正在和其他學生交談，他們認為這項技術可以用於群體機器人，小型機器人可以自我糾纏，執行任務，然後在完成後釋放，」佩澤什基說。
「是的，有點像《魔鬼終結者 2》中的液態金屬 T-1000，它可以在門下滑動，然後在另一邊改變形狀以轉變為人類大小，」Barthelat 補充道。 “它很昂貴，而且擴展是一個挑戰，但這是每個人都關心的事情。”
測試更強的粒子設計
該團隊目前正在進入下一階段的研究。
他們最新的實驗是基於一種帶有額外“粘腿”的新粒子設計。研究人員將這種形狀比喻為戶外鞋子和衣服上頑固地附著的尖刺。這些附加功能可以產生更強的糾纏效應，並被認為可以為未來材料帶來新的可能性。
