緊壓的辦公室訂書釘可以以令人驚訝的方式發揮作用。雖然它是由幾個獨立的部分組成，但糾纏在一起的物質很難分開，幾乎可以表現為單一的固體物體。
但同一個團體可能很快就會被解散。透過振動或正確的移動，可以將訂書釘分開並返回以將鬆散的各個碎片聚集在一起。
科羅拉多大學博爾德分校機械工程系 Paul M. Rady 的研究人員認為，這種強度和可逆性的不同尋常的組合可能有助於激發新一代工程材料的靈感。透過設計以與訂書釘相同的方式連接在一起的顆粒。他們希望創造出一種堅固的材料。可以改變並且可以回收。
「我們多年來一直在研究結構和幾何學的概念。但我們直到最近才開始研究糾纏和交織的粒子，」先進材料和生物靈感實驗室負責人弗朗索瓦·巴特拉教授說。 “我們對可以從這些系統中提取的功能組合感到興奮，我們相信這項技術有潛力朝許多不同的方向發展。”
研究結果最近發表在 應用物理學雜誌。
糾纏粒子如何產生力量？
研究的重點是一種稱為糾纏的現象，當粒子糾纏並相互形成連接時就會發生這種現象。
糾纏在自然界中很常見。例如，燕窩依靠樹枝和纖維編織的網絡來維持其結構。骨骼也透過堅硬的礦物質成分和較軟的蛋白質之間的相互作用而獲得強度。
科羅拉多大學博爾德分校團隊希望了解如何使用類似的原理來製造人造材料。他們的工作指出了一個重要因素：顆粒的形狀。
「讓我們以沙子為例。沙子很光滑，而且具有凸形。這意味著它們無法從一種顆粒到另一種顆粒協調，」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它的行為和機械性能。這也包括粒子與其他粒子結合的能力。
為了進一步檢查，研究人員使用了蒙特卡羅模擬。這是一種計算技術，使他們能夠研究粒子形狀如何相互作用。他們的目標是確定能夠最大化糾纏的幾何形狀。
為什麼短纖維形狀的顆粒會脫穎而出？
透過模擬確定有前景的設計後，團隊進行了暴露測試，以觀察粒子在現實條件下的行為。
結果顯示出「雙足」顆粒，類似於訂書釘。這會產生最高程度的糾纏。研究人員也發現這種形狀提供了一些意想不到的好處。
其最顯著的特點之一是能夠將拉伸強度和韌性結合起來。這是傳統材料通常難以實現的兩個特性。
博士生 Saeed Pezeshki 表示：“我們使用類短纖維顆粒的交織顆粒材料同時表現出高強度和韌性。”
釘狀顆粒也表現出另一個特徵。它們可以快速合併成更堅固的結構，然後再次快速分離。
透過使用不同的振動模式，研究人員能夠控制糾纏粒子的強度。輕微的振動會促使顆粒黏合在一起，使材料變得更堅固。同時，更強的振動導致網路崩潰。
「這是一種奇怪的材料，因為它顯然不是液體。然而，它並不完全是固體。這開啟了有趣的新工程可能性，」巴特拉說。 “操縱這些糾纏的粒子簇感覺非常遙遠和奇異。”
發揮建築和機器人技術的潛力
研究人員相信，該技術最終將能夠支持更永續的建築實踐。
未來，橋樑、建築物和其他大型結構可能會使用交織的材料建造，這些材料隨後可以分離而不是拆除。這些材料在其使用壽命結束時可以重複使用或完全回收。
這個概念也可能在機器人技術中被應用。
「我正在和其他學生交談。相信這項技術可以用在群體機器人上。小型機器人完成後可以纏結、操作和分離，」佩澤什基說。
「是的，就像《魔鬼終結者 2》中的 T-1000 液態金屬一樣，它可以改變形狀以滑入門下，然後在另一側將其變回人類大小，」巴特拉特補充道。 “它的成本很高，而且擴大規模是一個挑戰。但這是每個人都想到的事情。”
測試更穩健的粒子設計
該團隊目前正在進入下一階段的研究。
他們最新的實驗重點是設計具有額外突出“腿”的新粒子。研究人員將這種形狀比喻為頑固地黏在鞋子和戶外服裝上的鋒利毛邊。他們相信這些附加功能可以產生更強的纏結效果。並為未來材料開啟新的可能性。
