然而，同样的一束结构可以迅速解体。通过适当的振动或移动，这些“订书钉”可以分离，重新变回松散的单个个体集合。
科罗拉多大学博尔德分校保罗·M·雷迪机械工程系的研究人员认为，这种强度与可逆性的独特结合有望启发新一代工程材料。通过设计出类似订书钉方式互锁的颗粒，他们希望创造出坚固、适应性强且具有潜在可回收性的材料。
“多年来我们一直在探索构造块和几何形状的概念，但直到最近才开始研究互锁、纠缠的颗粒，”先进材料与仿生实验室负责人弗朗索瓦·巴泰拉教授说道。“我们对这些系统所能展现出的性能组合感到兴奋，并相信这项技术具有向多方向发展的潜力。”
该研究成果近期发表在《应用物理杂志》上。
纠缠颗粒如何产生强度
该研究聚焦于一种被称为“纠缠”的现象，这种现象发生在颗粒相互交织并彼此形成连接之时。
纠缠现象在自然界中普遍存在。例如，鸟巢依靠交织的树枝和纤维网络来维持其结构。骨骼也通过硬质矿物成分与较软蛋白质之间的相互作用获得强度。
科罗拉多大学博尔德分校的研究团队希望了解如何利用类似的原理来制造人造材料。他们的研究指出了一个关键因素：颗粒本身的形状。
“以沙子为例。沙子表面光滑且呈凸状，这意味着颗粒之间无法互锁，”博士生尤汉·索恩说道。“然而我们发现，如果改变沙粒的形状，就能极大地改变其行为和力学性能，包括颗粒与其他颗粒连接的能力。”
为了进一步深入研究，研究人员采用了蒙特卡洛模拟，这是一种计算技术，使他们能够研究不同颗粒形状之间的相互作用。他们的目标是找出一种能最大化纠缠程度的几何形状。
为何订书钉形颗粒表现优异
在通过模拟识别出有潜力的设计后，团队进行了抓取测试，以观察这些颗粒在现实条件下的表现。
结果显示，一种形似订书钉的“双腿”颗粒产生了最高程度的纠缠。研究人员还发现，这种形状带来了几项意想不到的优势。
其中最显著的一点是它能够同时兼顾抗拉强度和韧性，这两种性能在传统材料中往往难以兼得。
“我们利用订书钉状颗粒制成的纠缠颗粒材料同时展现出了高强度和韧性，”博士生赛义德·佩泽什基说道。
这种订书钉状颗粒还表现出另一种不寻常的特性。它们可以迅速聚集成坚固的结构，也能以同样快的速度再次分离。
通过施加不同的振动模式，研究人员能够控制颗粒之间纠缠的紧密程度。温和的振动促使颗粒互锁，从而增强材料的强度；而强烈的振动则会导致网络结构解体。
“这是一种奇特的材料，因为它显然不是液体，但也算不上完全的固体。这开启了引人入胜的工程新可能性，”巴泰拉说。“手握一束这种纠缠颗粒的感觉非常陌生且奇特。”
在建筑和机器人领域的潜在应用
研究人员相信，这项技术最终有望支持更具可持续性的建筑方法。
未来，桥梁、建筑物和其他大型结构或许可以使用纠缠材料建造，这些材料日后可以被拆解，而非拆除。此类材料在其使用寿命结束后有望被重复使用或完全回收。
这一概念在机器人领域也可能有所应用。
“我与其他学生交谈时，他们认为这项技术可用于群体机器人领域——即小型机器人可以相互纠缠执行任务，任务完成后自行解体，”佩泽什基说道。
“是的，有点像《终结者2》里的液态金属T-1000，可以改变形状从门缝下滑过，然后在另一侧变回人形，”巴泰拉补充道。“虽然成本高昂且规模化面临挑战，但这正是大家都在思考的方向。”
测试更坚固的颗粒设计
该团队目前正进入研究的下一阶段。
他们最新的实验聚焦于一种新的颗粒设计，其中包含了额外的突出“腿部”。研究人员将其形状比作户外那些顽固粘附在鞋子和衣物上的带刺苍耳。他们认为，这些增加的特征可能会产生更强的纠缠效应，并为未来的材料开启新的可能性。