一束紧密压缩的办公钉书针可以表现出令人惊讶的方式。尽管它由许多单独的部分组成，但这个缠绕的团块很难分开，几乎可以像一个单一的固体物体那样运行。然而，同样的一束钉书针可以迅速解开。在适当的振动或运动下，钉书针可以分开，回到单独的松散集合。科罗拉多大学博尔德分校的保罗·M·拉迪机械工程系的研究人员相信，这种强度和可逆性的非凡组合可以激发新一代工程材料的设计。通过设计以类似钉书针的方式相互锁定的颗粒，他们希望创造出强大、适应性强并可能可回收的材料。高级材料与生物启发实验室的负责人法朗索瓦·巴特赫拉特教授表示：“多年来我们一直在玩构建块和几何图形的想法，但我们最近开始研究互锁、缠绕颗粒。”他表示：“我们对从这些系统中可以获得的属性组合感到兴奋，并且我们相信这项技术有潜力向多个方向发展。”研究成果最近发表于《应用物理学杂志》。缠绕颗粒如何创造强度该研究围绕一种称为缠结的现象展开，当颗粒相互缠绕形成联系时，就会发生这种现象。缠结在自然界中非常普遍。例如，鸟巢依靠交错的树枝和纤维网络来维持其结构。骨骼也通过硬质矿物成分和较软蛋白质之间的相互作用获得强度。科罗拉多大学博尔德分校的团队希望了解如何利用类似的原理创造制造材料。他们的研究指向一个关键因素：颗粒形状。“以沙子为例。沙子是光滑且凸形的，这意味着它无法从颗粒到颗粒互锁，”博士生尤汉·所恩说。“然而，我们发现，如果我们改变沙粒的形状，可以显著影响其行为和机械性能，包括颗粒与其他颗粒链接的能力。”为了进一步研究，研究人员使用了蒙特卡罗模拟，这是一种计算技术，可以让他们研究不同颗粒形状的相互作用。他们的目标是确定一种几何形状，以最大化缠结。钉书针形状颗粒为何脱颖而出在通过模拟确定出有前景的设计后，团队进行了拾取测试，以观察颗粒在现实条件下的表现。结果显示，类似于钉书针的“二腿”颗粒产生了最高程度的缠结。研究人员还发现，这种形状带来了几个意想不到的好处。其中最显著的是它能够同时结合拉伸强度和韧性，这两种特性在传统材料中通常难以同时实现。“我们使用钉书针形状粒子的缠结颗粒材料同时展示了高强度和韧性，”博士生萨伊德·佩泽什基表示。钉书针形状的颗粒还展示了另一种不寻常的特征。它们可以迅速聚集成一个更强的结构，然后又可以同样迅速地分开。通过施加不同的振动模式，研究人员能够控制颗粒缠结的强度。轻微的振动鼓励颗粒互锁并增强材料，而更强的振动则导致网络解开。“这是一种奇怪的材料，因为它显然不是液体。然而，它也不完全是固体。这为工程提供了新的和有趣的可能性，”巴特赫拉特说。“处理一束这些缠结的颗粒的感觉非常遥远和奇异。”在建筑和机器人中的潜在用途研究人员相信，这项技术最终可以支持更可持续的建筑方法。未来，桥梁、建筑和其他大型结构可能会使用缠结材料建造，这些材料在使用完后可以拆卸而不是拆除。这些材料可能在其服役寿命结束时被重复使用或完全回收。这个概念可能在机器人技术中也有应用。“我在和其他学生交流，他们相信这项技术可以用于群体机器人 -- 小型机器人可以相互缠结、完成任务，然后在完成后再解开，”佩泽什基说。“是的，有点像《终结者2》中液态金属T-1000，可以改变形状滑过门，然后在另一侧变回人类大小，”巴特赫拉特补充道。“这很昂贵，规模化是一个挑战，但这是大家都在关注的事情。”测试更强的颗粒设计团队现在进入研究的下一个阶段。他们最新的实验专注于一种新的颗粒设计，包括额外的突起“腿部”。