Izraeli kutatás tárta fel azt a geometriai törvényszerűséget, amely a jövő intelligens anyagainak alapja lehet. A kutatást Yafei Zhang, Michael Moshe professzor és Eran Sharon vezette.
Az izraeli kutatók egy eddig ismeretlen geometriai elvet azonosítottak, amely magyarázatot ad arra, miért fordul elő, hogy a növekvő felületek – például virágszirmok vagy más biológiai szövetek – egy bizonyos ponton már nem tudnak simán tágulni, hanem hirtelen redők és bemélyedések jelennek meg rajtuk. A felfedezés nemcsak a természetes növekedési folyamatok jobb megértéséhez járulhat hozzá, hanem új távlatokat nyithat a mérnöki tervezés és az anyagtudomány előtt is.
Miről is szól az új geometriai felfedezés?
„Ez kiváló példája annak, hogy a látszólag elvont matematikai fogalmak – jelen esetben a felületekre vonatkozó topológiai és geometriai korlátok – miként képesek közvetlenül meghatározni egy fizikai rendszer működését” – mondta Eran Sharon professzor, a Jeruzsálemi Héber Egyetem Racah Fizikai Intézetének kutatója.
„Úgy tűnik, ezek az alapelvek felelősek a természetben megfigyelhető formagazdagság jelentős részéért.”
A rangos Physical Review Letters folyóiratban megjelent tanulmány egy újfajta úgynevezett „geometriai frusztrációt” ír le. Ez akkor jelentkezik, amikor a korábban ismert matematikai modellek szerint egy felületnek még simának kellene maradnia, a valóságban azonban redők és hullámok alakulnak ki rajta. A kutatók szerint ez alapjaiban változtathatja meg a növekvő anyagok viselkedéséről alkotott elképzeléseket, és hozzájárulhat olyan önformáló anyagok kifejlesztéséhez, amelyeket az orvostechnológiától a lágyrobotikáig számos területen alkalmazhatnak.
Egy láthatatlan geometriai határ
A jelenség szemléltetésére a kutatók egy felfújt léggömb példáját hozták. Egy hagyományos lufi egyenletesen tágul, ahogy levegő kerül bele. Az általuk vizsgált, elméleti „különleges léggömb” azonban csak egy bizonyos pontig növekszik simán. Amint elér egy láthatatlan geometriai küszöböt, a felület már nem képes megtartani eredeti alakját, és szabályos redők, illetve bemélyedések jelennek meg rajta.
A kutatók szerint ezt az átalakulást nem az anyag hibái okozzák, hanem egy eddig fel nem ismert geometriai korlátozás.
A vizsgálat egy régóta nyitott kérdésből indult ki: miért alakulnak ki egyes növekvő felületeken – például leveleken, virágszirmokon, biológiai szöveteken vagy mesterséges anyagokon – összetett mintázatok ahelyett, hogy továbbra is egyenletesen hajlanának?
A válasz megtalálásához matematikai elemzéseket, számítógépes szimulációkat és speciálisan kialakított rugalmas héjszerkezeteken végzett laboratóriumi kísérleteket kombináltak. Eredményeik szerint a felület mindaddig sima marad, amíg görbülete nem ér el egy meghatározott határértéket. Ezen a ponton azonban maga a geometria teszi lehetetlenné a további egyenletes növekedést.
Ahelyett, hogy sima maradna, az anyag önmagától szabályos, kúpszerű bemélyedések hálózatát alakítja ki, amelyek levezetik a felgyülemlett feszültséget. A kutatók azt is kimutatták, hogy ha egyetlen vágást ejtenek a felületen, a jelenség megszűnik, és az anyag ismét simává válik. Ez bizonyítja, hogy a folyamat nem a felület helyi tulajdonságaitól, hanem annak teljes topológiájától és összefüggő szerkezetétől függ.
Az intelligens anyagok jövője
A felfedezés hosszú távon jelentős szerepet játszhat olyan alakváltoztató anyagok fejlesztésében, amelyeket lágyrobotikában, orvostechnikai eszközökben vagy akár az űriparban is alkalmazhatnak. A kutatás eredményei lehetővé tehetik olyan rugalmas szerkezetek megalkotását, amelyek bonyolult mechanikai rendszerek nélkül, pusztán geometriai törvényszerűségek alapján képesek meghatározott módon összehajtódni vagy alakot változtatni. Az orvostudományban ez hozzájárulhat olyan minimálisan invazív implantátumok vagy eszközök fejlesztéséhez, amelyek a szervezetben automatikusan kinyílnak vagy felveszik a kívánt formát.
A geometriai korlátok működésének megértése emellett elősegítheti olyan intelligens anyagok létrehozását is, amelyek gyártási, csomagolási vagy más ipari felhasználás során emberi beavatkozás nélkül képesek a kívánt alakot felvenni ott, ahol a hagyományos szerelési módszerek nehezen vagy egyáltalán nem alkalmazhatók.
„Számunkra az a legizgalmasabb, hogy úgy tűnik, egy teljesen új szervezőelvet fedeztünk fel”
– mondta Yafei Zhang. „A természet valószínűleg mindig is ezt használta – mi csak most kezdtük el megérteni.”
- 10:00
2024. január 27. - 10:002023. február 9.
- 19:002020. december 14.
