Materialer med selvadaptive mekaniske reaktioner er længe blevet efterspurgt inden for materialevidenskab. Ved hjælp af computersimuleringer viser forskere ved Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) nu Hyderabad, hvordan en sådan adaptiv opførsel kan dukke op i aktive briller, der er vidt brugt som modeller til biologisk væv.
Resultaterne, der blev offentliggjort i tidsskriftet Naturfysikgive ny indsigt – med det samme fra, hvordan celler kan regulere deres glashed til at hjælpe med at designe nye metamaterialer.
Briller (eller amorfe faste stoffer) er materialer, hvis komponenter mangler en bestemt rækkefølge. Kontrast dette med en krystal, hvor atomer er arrangeret i pæne, gentagne mønstre på et veldefineret gitter. Mens krystaller bestilles og næsten perfekte, defineres amorfe materialer af deres lidelse.
Når disse forstyrrede materialer er sammensat af komponenter, der kan anvende interne energireserver og bevæge sig autonomt, danner de det, der er kendt som aktive briller.
Sådanne systemer er rigelige i miljøer, hvor partikler er tæt pakket og har kemiske reserver – for eksempel epitelceller eller bakteriekolonier.
Imidlertid oprettes ikke alle briller lige. Afhængig af deres forberedelse kan det samme materiale danne briller med vidt forskellige mekaniske egenskaber. Denne historieafhængighed er et kendetegn ved ikke -quilibrium -systemer – de husker, hvordan de var forberedt!
For at forberede et glas skal du starte med en væske (næsten enhver væske vil gøre) og afkøle det hurtigt forbi sit smeltepunkt. Hvis afkøling er hurtig nok, kan krystallisation undgås, hvilket resulterer i en superkølet væske.
Når temperaturen fortsætter med at falde, er der en empirisk defineret temperatur, under hvilken dynamikken bremser så dramatisk, at sporing af systemet i detaljer bliver umulig. Dette er den berømte glasovergangstemperatur. Under dette punkt er systemet effektivt i en arresteret tilstand. Og voilà, hvad du har nu er et glas.
Det, der er særlig interessant, er, at selv om dynamikken har ændret sig drastisk, har systemet strukturelt ikke ændret sig meget. En klar forståelse af, hvordan denne crossover til en arresteret stat forekommer, mangler stadig. I øvrigt blev arten af denne overgang en gang omtalt af Nobelprisvinderen PW Anderson som “det dybeste og mest interessante uopløste problem i faststofteori”-og det forbliver stadig undvigende.
Afhængig af hvor hurtigt eller langsomt du afkøler på tværs af denne glasovergangstemperatur, får du briller med forskellige mekaniske egenskaber.
Generelt resulterer langsommere afkøling i veludviklede briller, som er sprøde (systemer, der bryder pludseligt med en skarp snap under ekstern belastning), mens hurtigere afkøling resulterer i dårligt annealede briller, som er mere duktile (systemer, der forlænges og danner hals, før de til sidst bryder).
En anden måde at visualisere dette på er gennem et energilandskab, med barrierer (bakker), der adskiller lokale minima (dale). Enhver glaskonfiguration kan betragtes som at sidde fast i en af disse mange lokale minima, med barrierer, der forhindrer det i at overføre og udforske andre lavere energitilstande. Bedre afkøling, mens det opretter glasset fører systemet til et dybere minimum i dette landskab.
Sharma og Karmakar opdagede, at det at formidle yderligere motilitet til nogle komponenter i et dårligt annealet glas inducerer yderligere udglødning i systemet, hvilket tager det til gradvist at sænke regioner i landskabet. Dette afspejles som et gradvis fald i systemets potentielle energi.
De demonstrerede, at de lokale omarrangementer forårsaget af aktivitet i et glas kan annealere systemet nok til at omdanne et oprindeligt duktilt materiale til et sprødt. I det væsentlige fandt forskerne, at aktiv dynamik kan give et middel til at krydse energilandskabet mere effektivt.
En korollar af dette er, at den forbedrede aldring, der blev observeret i aktive briller, delvist kunne tage højde for nogle af de mekaniske ændringer, der ses i aldring og modnet væv.
Således, der henter inspiration fra biologisk væv, kan man designe nye metamaterialer, der indeholder aktive bestanddele for at regulere deres uklarhed gennem deres livscyklus.
Endnu mere interessant fandt undersøgelsen, at aktive briller deler mange af de samme fænomener, der blev observeret i briller, der blev udsat for oscillerende (eller cyklisk) forskydning. For kort at illustrere cyklisk forskydningsdeformation skal du forestille dig at tage en solid kasse og fikse sin base, så den ikke kan bevæge sig.
Hold nu toppen og skub og træk gentagne gange på den langs en fast retning parallelt med det øverste ansigt. Dette er en forenklet karikatur af en oscillerende forskydningsdeformation.
Undersøgelsen fandt, at amplituden og hyppigheden af en sådan svingning, der blev pålagt af passive amorfe faste stoffer, kunne effektivt kortlægges til styrken af aktive kræfter og deres persistenstid i aktive briller.
Udover at have vist mekanisk annealing, er en anden karakteristik ved briller under oscillerende forskydning, at deformationamplituden efter gentagne cyklusser udskrives på systemet. Dette aftryk kan senere “læses” ud ved hjælp af sofistikerede teknikker.
Bemærkelsesværdigt blev lignende hukommelseseffekter også opdaget i tilfælde af aktive briller ved hjælp af lidt forskellige, men analoge læseprotokoller. Da aktivitet i samlinger af celler generelt kontrolleres af deres stofskifte, kunne de observerede hukommelseseffekter give indsigt i, hvordan læring og metaboliske behov er forbundet.
Andre ligheder inkluderer systemets overgang fra en fasten tilstand til en fluidiseret tilstand ved store køreværdier. Denne fluidisering i aktive briller er blevet undersøgt omfattende i litteraturen og er afgørende for at forstå biofysikken i sårheling og morfogenese, som begge involverer massecellevandring.
Det faktum, at systemer så komplekse som aktive briller i det væsentlige kan kortlægges på almindelige briller under oscillerende forskydning, indebærer, at forskere nu kan bruge den omfattende værktøjskasse, der er udviklet til at forstå amorfe faste stoffer til at studere biofysiske systemer.
Denne undersøgelse afslører en dyb analogi mellem aktive briller og cyklisk drevne amorfe faste stoffer, hvilket etablerer intern aktivitet som et nyt middel til annealglas.
Imidlertid kæmper denne metode for at matche ydelsen af dedikerede in-silico udglødningsteknikker som Swap Monte Carlo.
Ikke-lokalbevægelser, såsom at bytte partikler over vilkårlige afstande, giver byttet Monte Carlo mulighed for at nå ekstremt lavenergitilstande, der forbliver uden for rækkevidde for lokale metoder som aktivitetsinduceret annealing.
Yderligere efterforskning er nødvendig for at bestemme, om sådanne lokale metoder kan blive mere konkurrencedygtige med andre dedikerede teknikker eller bruges i tandem til yderligere at ækvilibrere briller. Dette sammen med at udforske hukommelse og læringseffekter i aktive systemer præsenterer lovende muligheder for fremtidig forskning.