En tätt packad boll av kontorshäftklamrar kan vara förvånansvärt stark. Försök att dra isär den, så märker du att det hoptrasslade metallen står emot som ett fast föremål.
Men med rätt rörelse eller vibration kan samma klump snabbt falla isär till lösa bitar. Ett team av ingenjörer och materialforskare vid Paul M. Rady-institutionen för maskinteknik vid CU Boulder undersöker hur denna sällsynta kombination av styrka och flexibilitet skulle kunna inspirera till en ny typ av material som bygger på sammanlänkade partiklar. Genom att efterlikna hur häftklamrar låser sig samman och lossnar kan dessa nya material en dag bilda strukturer som är starka, anpassningsbara och till och med återvinningsbara, säger forskarna.
”Vi har lekt med idén om byggstenar och geometri i många år, men det är först nyligen som vi börjat titta på sammanlänkade, sammanflätade partiklar”, säger professor Francois Barthelat, ledare för Laboratory for Advanced Materials & Bioinspiration.
”Vi är entusiastiska över den kombination av egenskaper vi kan få ut av dessa system och vi tror att denna teknik har potential att utvecklas i många riktningar.”
Att nysta upp forskningen
Arbetet, som publicerats i Journal of Applied Physics, fokuserar på vad forskarna kallar ”entanglement” – när flera partiklar flätas samman med varandra och skapar en länk.
Det är inget nytt begrepp. Faktum är att naturen är full av exempel på föremål eller material som flätas samman och låser sig i varandra för att skapa starka strukturer. Tänk på ett fågelbo gjort av sammanflätade kvistar och fibrer, eller samspelet mellan hårda mineraler och mjuka proteiner i ben.
Hur kan forskare återskapa den typen av naturligt entanglement i tillverkade material? Forskarna i Barthelats laboratorium säger att svaret kretsar kring ett nyckelbegrepp: partikelform.
”Låt oss ta sand som exempel. Sand är slät och konvex, vilket innebär att den inte kan låsa sig samman korn för korn”, säger doktoranden Youhan Sohn. ”Vi upptäckte dock att om vi ändrar formen på ett sandkorn kan vi drastiskt påverka dess beteende och mekaniska egenskaper, inklusive partikelns förmåga att koppla ihop sig med andra partiklar.”
När gruppen kom fram till denna insikt började de köra Monte Carlo-simuleringar, en typ av beräkningsanalys, för att förutsäga exakt hur partiklarna kopplar ihop sig med varandra. Deras mål var att hitta den optimala geometrin som gav maximal sammanflätning.
Efter att ha hittat den optimala formen utförde teamet upphämtningstester för att se hur de sammanflätade partiklarna faktiskt betedde sig.
Testerna visade att en ”tvåbent” partikel – liknande en häftklammer i formen – hade den största potentialen för sammanflätning. Men forskarna upptäckte också flera oväntade fördelar som gjorde designen ännu mer intressant.
Den första var dess sällsynta blandning av draghållfasthet och seghet, en kombination som forskarna säger att konventionella material sällan uppnår samtidigt.
”Vårt sammanflätade granulära material med de häftklammerliknande partiklarna uppvisar både hög hållfasthet och seghet samtidigt”, sade doktoranden Saeed Pezeshki.
Därefter kom dess unika förmåga att snabbt sätta ihop sig – och lika snabbt falla isär.
Genom att applicera olika vibrationsmönster på materialet kunde teamet ändra dess sammanflätningsgrad efter behov. En lätt vibration kunde till exempel användas för att låsa samman och stärka partiklarna, medan en kraftigare vibration kunde få dem att helt lossna från varandra.
”Det är ett märkligt material eftersom det uppenbarligen inte är en vätska. Men det är inte heller helt fast. Detta öppnar upp för nya och spännande tekniska möjligheter”, säger Barthelat. ”Att hantera ett knippe av dessa sammanflätade partiklar känns väldigt främmande och exotiskt.”
Återuppbyggnad av kollisionen
En av dessa möjligheter ligger inom hållbarhetsområdet. Gruppen tror att stora byggnader och konstruktioner som broar en dag kan konstrueras med hjälp av sammanflätade material, vilket gör att de kan demonteras när de inte längre behövs eller till och med återvinnas helt.
Eller kanske kan sammanflätade material hitta sin väg in i världens nästa stora robotsystem.
”Jag pratade med andra studenter som tror att denna teknik kan användas inom svärmrobotik – där små robotar kan sammanflätas, utföra en uppgift och sedan lösgöra sig när de är färdiga”, säger Pezeshki.
”Ja, ungefär som den flytande metallen T-1000 i Terminator 2 som kan ändra form för att glida under en dörr och sedan återta sin mänskliga storlek på andra sidan”, tillägger Barthelat. ”Det är dyrt och uppskalning är en utmaning, men det är något som alla funderar på.”
För närvarande fokuserar gruppen på att bygga upp nästa fas av sin forskning. De testar just nu en ny partikelform med utskjutande ”ben” – liknande de taggiga växtfröna som fastnar obevekligt på skorna när man trampar på dem – som de tror kan generera ännu starkare sammanflätningsegenskaper.
Men oavsett vilket projekt de arbetar med säger teamet att det viktigaste med deras arbete är att behålla passionen och entusiasmen.
”Vi är inte helt säkra på vart detta kommer att leda, men vi kommer att fortsätta ha kul”, sa Barthelat. ”De flesta människor tänker inte på att tillverka starka material på detta sätt av något som häftklamrar, eftersom de tycker att det är kontraintuitivt. Tills de försöker bryta en bunt häftklamrar på mitten och ser att det är omöjligt.
”Vi älskar att ta oss an ett svårt projekt som detta och gräva ner oss i det.”
Publikationsuppgifter
Saeed Pezeshki et al, Combined effects of particle geometry and applied vibrations on the mechanics and strength of entangled materials, Journal of Applied Physics (2026). DOI: 10.1063/5.0308921