科学家发现，订书钉状颗粒能够相互缠结，形成一种既坚固又柔韧的材料。与传统材料不同，这些颗粒既可以锁定成坚固的结构，也能利用振动迅速解开。这种不寻常的特性有望应用于可回收建筑、可重构结构，甚至未来的机器人技术。
然而，同样的束状结构可以迅速解体。通过适当的振动或移动，这些钉状物可以分离并恢复成松散的单个碎片集合。
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不寻常结合有助于启发新一代工程材料。通过设计以类似钉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积木和几何形状的概念，但直到最近才开始关注互锁、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。“我们对这些系统所能产生的性能组合感到兴奋，我们相信这项技术有潜力向许多方向发展。”
这些发现最近发表在《应用物理学期刊》上。
纠缠颗粒如何产生强度
该研究侧重于一种被称为“纠缠”的现象，这种现象发生在颗粒相互缠绕并彼此形成连接时。
纠缠在自然界中很常见。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和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团队想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。沙子光滑且呈凸形，这意味着颗粒之间无法互锁，”博士生Youhan Sohn说。“然而，我们发现如果改变沙粒的形状，就能极大地影响其行为和机械性能，包括颗粒与其他颗粒连接的能力。”
为了进一步研究，研究人员使用了蒙特卡洛模拟，这是一种计算技术，使他们能够研究不同颗粒形状如何相互作用。他们的目标是确定一种能使纠缠最大化的几何形状。
为何钉状颗粒脱颖而出
通过模拟确定了有前景的设计后，团队进行了拾取测试，以观察颗粒在现实条件下的表现。
结果显示，一种形似钉书钉的“双腿”颗粒产生的纠缠程度最高。研究人员还发现，这种形状带来了几个意想不到的好处。
其中最显著的一点是它能够结合拉伸强度和韧性，这两种性能在传统材料中通常难以兼得。
“我们使用钉状颗粒的纠缠颗粒材料同时展现了高强度和高韧性，”博士生Saeed Pezeshki说。
钉状颗粒还表现出另一个不寻常的特征。它们可以迅速聚集形成更坚固的结构，然后又同样迅速地分离。
通过施加不同的振动模式，研究人员能够控制颗粒纠缠的紧密程度。温和的振动促使颗粒互锁并增强材料，而强烈的振动则导致网络解体。
“这是一种奇怪的材料，因为它显然不是液体。然而，它也不完全是固体。这开辟了新颖而迷人的工程可能性，”Barthelat说。“处理一束这种纠缠颗粒的感觉非常陌生且奇异。”
在建筑和机器人领域的潜在用途
研究人员认为，这项技术最终可以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可能会使用纠缠材料建造，这些材料日后可以被拆解而不是拆除。此类材料在其使用寿命结束时可能被重复使用或完全回收。
这一概念在机器人技术中也可能有应用。
“我和其他学生交谈过，他们认为这项技术可以用于群体机器人技术——即小型机器人可以纠缠在一起执行任务，完成后解体，”Pezeshki说。
“是的，有点像《终结者2》里的液态金属T-1000，它可以变形从门下滑过，然后在另一侧变回人形大小，”Barthelat补充道。“这很昂贵，扩大规模也是个挑战，但这是大家都在思考的问题。”
测试更坚固的颗粒设计
该团队现在正进入研究的下一阶段。
他们最新的实验集中在一种新的颗粒设计上，该设计包含额外的突出“腿”。研究人员将其形状比作户外顽固粘在鞋子和衣服上的带刺芒刺。他们认为，这些增加的特征可以产生更强的纠缠效应，并为未来的材料解锁新的可能性。