Вчені знайшли в рисі дивну властивість і створили матеріал майбутнього
Рис давно вважається однією з найважливіших сільськогосподарських культур у світі. Проте нове дослідження показало, що його незвичайні фізичні властивості можуть виявитися корисними далеко за межами харчової промисловості.
Міжнародна група вчених під керівництвом дослідників з University of Birmingham виявила несподівану властивість рисових зерен, яка дозволила створити новий тип "розумного" матеріалу. Про це пише Science daily.
Що особливого виявили дослідники у звичайному рисі?
Під час експериментів дослідники помітили, що щільно спресовані рисові зерна поводяться незвично під навантаженням. Якщо тиск прикладати поступово, структура залишається відносно міцною. Однак при різкому стисканні вона, навпаки, стає слабшою.
Для більшості матеріалів характерна протилежна поведінка, тому відкриття привернуло особливу увагу науковців. Фахівці пояснюють, що причина полягає у взаємодії між окремими зернами. Коли навантаження виникає дуже швидко, сила тертя між ними різко знижується. Через це внутрішня мережа контактів, яка утримує конструкцію та розподіляє навантаження, починає працювати менш ефективно.
Таке явище отримало назву "швидкісне пом'якшення" або rate softening.
Замість того щоб розглядати це явище як наукову цікавинку, команда вирішила використати його на практиці. Дослідники створили так званий метаматеріал – спеціально спроєктовану структуру, властивості якої не зустрічаються у природі.
Для цього вони поєднали гранульовані елементи на основі рису з іншими матеріалами, зокрема піском. На відміну від рису, пісок при швидкому навантаженні стає міцнішим. Завдяки такій комбінації вдалося створити матеріал, який автоматично змінює свою поведінку залежно від характеру впливу. Під час повільного руху він реагує одним чином, а при раптовому ударі – зовсім іншим. При цьому для його роботи не потрібні датчики, електроніка, батареї чи програмне забезпечення.
Фізика сама вирішує, як реагувати
Один з авторів дослідження, доктор Мінчао Лю з Бірмінгемського університету, наголосив, що робота демонструє новий підхід до створення функціональних матеріалів.
"Рис найчастіше асоціюється з продуктами харчування, а не з передовою інженерією. Наше дослідження показує, що він може стати основою нового класу функціональних матеріалів", – зазначив науковець.
За його словами, дослідники перетворили незвичайну властивість рису на повноцінний інженерний принцип.
"Замість того щоб наказувати конструкції, як реагувати, ми дозволили фізиці вирішувати це самостійно. Швидкі навантаження запускають одну поведінку, а повільні – іншу", – пояснив доктор Лю. У результаті матеріал може по-різному згинатися, деформуватися або ставати жорсткішим залежно від конкретної ситуації.
Одним із найперспективніших напрямків застосування дослідники називають м'яку робототехніку. На відміну від традиційних металевих роботів, майбутні системи на основі таких матеріалів можуть виявитися легшими, безпечнішими для людей та більш гнучкими у використанні.
Подібні роботи можуть працювати поруч із людьми на виробництві, виконувати складні завдання в небезпечних середовищах або допомагати лікарям під час хірургічних операцій, де потрібна висока точність рухів.
Захист без електроніки та батарей
Ще одним потенційним напрямком застосування є створення захисного спорядження. Оскільки матеріал по-різному реагує на швидкість удару, його можна використовувати в системах поглинання енергії під час зіткнень. У разі сильного удару структура автоматично змінюватиме свої властивості, щоб зменшити ризик травм.
На відміну від сучасних активних систем захисту, така технологія не потребуватиме зовнішнього живлення, датчиків або складної електроніки. Дослідники вважають, що їхня робота демонструє нові можливості використання звичайних гранульованих матеріалів. Те, що ще недавно здавалося звичайним харчовим продуктом, може стати основою для створення цілої категорії інтелектуальних інженерних конструкцій, здатних самостійно адаптуватися до навколишніх умов.