Wyobraź sobie układankę, która nigdy nie znajduje się w stanie "ukończenia". Każdy element idealnie pasuje do innych, ale całość to zawsze absolutny chaos. Właśnie tak wygląda świat materiałów amorficznych – to struktury, które pomimo nieporządku, potrafią mieć precyzyjnie zaprogramowaną logikę. Teraz badacze znaleźli sposób, jak ujarzmić ich chaos.
Od lat naukowcy perfekcyjnie opanowali budowanie kryształów – od białek po nanocząsteczki. Wszystko opierało się na powtarzalnych wzorach i strukturach, które pięknie układały się w symetryczne szeregi. Jednak materiały amorficzne, pozbawione dalekosiężnego uporządkowania, pozostawały nieujarzmione. Ich potencjał – szczególnie w zakresie metamateriałów – był ogromny, ale brakowało narzędzia, które pozwoliłoby nimi skutecznie "zarządzać".
I tak dochodzimy do meritum. Badacze stworzyli specjalne cząsteczki – tetraedryczne nanocząstki wyposażone w "łaty" miejsc, które decydują, z czym mogą, a z czym nie mogą się łączyć. I to właśnie ten wybredny system połączeń tworzy fundament uporządkowanego nieporządku.
Głównym bohaterem całego zamieszania są pięciokątne pierścienie. Owe nanocząstki są zaprogramowane tak, by łączyć się w regularne dodekaedryczne klatki. W teorii to nie jest skomplikowane. Problem w tym, że dodekaedryczne klatki mają ikozaedralną symetrię – są idealne same w sobie, ale absolutnie niemożliwe do ułożenia w regularną siatkę przestrzenną. To zdaje się nie mieć sensu, ale mimo wszystko go posiada.
Metoda badaczy opiera się na tym, że każda cząsteczka jest na tyle specyficzna w swoich "preferencjach", że niektóre potencjalne struktury po prostu nie mogą powstać – tworzą niekompletne połączenia, które destabilizują potencjalne krystaliczne formacje. Ta podwójna frustracja skutecznie blokuje jakiekolwiek uporządkowanie na dużą skalę, zmuszając system do pozostania w stanie idealnego chaosu.
Ciekawostką jest, że ten chaos nie powstaje przypadkiem. Materiały jak szkło i podobne tworzą się w wyniku gwałtownego schłodzenia, gdy struktury zamarzają w nieporządku, często pozostając w stanie metastabilnym. Jednak system zaprojektowany przez zespół badaczy przechodzi zupełnie inną ścieżkę. Tutaj amorficzna struktura formuje się spontanicznie, zaczynając od pojedynczej klatki dodekaedrycznej, która niczym szablon dyktuje dalszy wzrost. Ostatecznie powstaje dynamicznie "zamrożona", stabilna termodynamicznie sieć.
Co najciekawsze, taka sieć nie jest ograniczona przestrzennie. W odróżnieniu od innych materiałów, których wzrost jest hamowany, takie materiały mogą rozrastać się bez końca, zachowując chaotyczny, ale stabilny układ. To zaś otwiera drzwi do kreowania materiałów amorficznych o dokładnie zdefiniowanych własnościach.
Czytaj również: Metabot: materiał, który „staje się” robotem
Materiał stworzony przez zespół naukowców z Uniwersytetu La Sapienza w Rzymie tworzy w zasadzie nową ich kategorię, która może wpłynąć na wiele dziedzin: m.in. optykę strukturalną, nanomateriały i wiele, wiele innych.
Dzięki precyzyjnemu zaprogramowaniu interakcji możliwe jest teraz projektowanie struktur amorficznych z konkretnymi cechami – od wysokiej wytrzymałości mechanicznej po unikalne własności optyczne. Na pierwszy rzut oka nie ma to większego sensu, ale jest w tym pewna metoda. Nie najgorsza zresztą, bo w tym szaleństwie zdecydowanie jest metoda.
Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu
