一捆緊密壓縮的辦公室迴紋針，可以展現出令人驚訝的行為。儘管它由許多獨立的零件組成，但糾纏在一起的جموع卻難以拉開，幾乎可以像單一的實體物體一樣運作。
然而，同一捆迴紋針卻能迅速散開。透過適當的振動或移動，迴紋針可以分離，並恢復成鬆散的獨立零件集合。
科羅拉多大學波德分校（CU Boulder）保羅·M·雷迪機械工程系的 ამ 연구원들은 이 독특한 강성과 가역성의 조합이 차세대 엔지니어링 재료에 영감을 줄 수 있다고 믿습니다. 迴紋針類似的方式相互鎖定，他們希望創造出堅固、適應性強且可能可回收的材料。
「我們多年來一直在玩弄積木和幾何圖形的概念，但我們最近才開始研究相互鎖定、糾纏的粒子，」先進材料與生物啟發實驗室的負責人 Francois Barthelat 教授說。「我們對這些系統所能獲得的性能組合感到興奮，並相信這項技術有潛力朝多個方向發展。」
這些發現最近發表在《應用物理學期刊》（Journal of Applied Physics）上。
糾纏粒子如何產生強度
這項研究的核心是一種稱為「糾纏」的現象，當粒子相互纏繞並形成連接時就會發生。
糾纏在自然界中很常見。例如，鳥巢依靠交織的樹枝和纖維網絡來維持其結構。骨骼也透過堅硬的礦物成分和較軟的蛋白質相互作用來獲得強度。
科羅拉多大學波德分校的團隊希望了解如何利用類似的原理來製造人造材料。他們的研究指向一個關鍵因素：粒子本身的形狀。
「以沙子為例。沙子是光滑且呈凸形狀的，這意味著它無法從顆粒到顆粒相互鎖定，」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其行為和機械性能，包括粒子與其他粒子連接的能力。」
為了進一步研究，研究人員使用了蒙地卡羅模擬（Monte Carlo simulations），這是一種計算技術，讓他們能夠研究不同粒子形狀的相互作用。他們的目標是找出能最大化糾纏的幾何形狀。
為什麼迴紋針形狀的粒子脫穎而出
透過模擬識別出有前景的設計後，團隊進行了拾取測試，以觀察粒子在現實條件下的行為。
結果顯示，「兩條腿」的粒子，類似迴紋針，產生了最高程度的糾纏。研究人員還發現這種形狀帶來了幾項意想不到的好處。
其中最顯著的是它能夠結合抗拉強度和韌性，這兩種性質在傳統材料中通常難以同時實現。
「我們使用迴紋針狀粒子的糾纏顆粒材料同時展現出高強度和韌性，」博士生 Saeed Pezeshki 說。
迴紋針狀粒子還展現了另一種不尋常的特性。它們可以迅速聚集形成更強的結構，然後又同樣迅速地分離。
透過施加不同的振動模式，研究人員能夠控制粒子糾纏的強度。輕柔的振動鼓勵粒子相互鎖定並增強材料，而較強的振動則導致網絡鬆開。
「這是一種奇特的材料，因為它顯然不是液體。然而，它也不完全是固體。這開啟了新的、引人入勝的工程可能性，」Barthelat 說。「處理一捆這些糾纏的粒子感覺非常遙遠和奇特。」
在建築和機器人領域的潛在用途
研究人員認為，這項技術最終可以支持更可持續的建築方法。
未來，橋樑、建築物和其他大型結構可能會使用可拆卸而非拆除的糾纏材料來建造。這些材料在其使用壽命結束時可能被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。
「我與其他學生談過，他們認為這項技術可以用於群體機器人技術——小型機器人可以糾纏在一起，完成一項任務，然後在完成後解開，」Pezeshki 說。
「是的，有點像《魔鬼終結者2》中的液態金屬 T-1000，它可以改變形狀滑過門縫，然後在另一側變回人類大小，」Barthelat 補充道。「這很昂貴，而且擴大規模是一個挑戰，但這是大家都在考慮的事情。」
測試更強的粒子設計
該團隊目前正進入研究的下一階段。
他們最新的實驗專注於一種新的粒子設計，該設計包含額外的突出的「腿」。研究人員將這種形狀比作戶外緊緊依附在鞋子和衣服上的帶刺的芒刺。他們認為這些額外的特徵可以產生更強的糾纏效果，並為未來的材料開啟新的可能性。