Μια ομάδα φυσικών από το Heinrich-Heine University του Düsseldorf, το RWTH Aachen, το University of Mainz και το Wayne State University στις ΗΠΑ, ανακάλυψε μια νέα κατηγορία υλικών που αψηφούν τη λογική της στερεάς ύλης όπως τη γνωρίζαμε μέχρι σήμερα. Οι κρύσταλλοι αυτοί, που αποτελούνται από σωματίδια τα οποία περιστρέφονται συνεχώς, μπορούν να στρεβλώνονται αντί να τεντώνονται, να σπάνε αυθόρμητα σε μικρότερα κομμάτια και –το πιο απίστευτο– να επανασυναρμολογούνται μόνοι τους.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), παρουσιάζει ένα θεωρητικό πλαίσιο που εξηγεί αυτή τη συμπεριφορά και ανοίγει τον δρόμο για την ανάπτυξη «ζωντανών» υλικών νέας γενιάς, με δυνατότητες που μέχρι τώρα ανήκαν στη φαντασία.
Η βασική αρχή πίσω από το φαινόμενο των περιστρεφόμενων κρυστάλλων είναι οι λεγόμενες «εγκάρσιες δυνάμεις» (transverse forces). Σε αντίθεση με τις διαμήκεις δυνάμεις –όπως η βαρύτητα ή η ηλεκτροστατική έλξη– που ενεργούν κατά μήκος της γραμμής που ενώνει δύο σώματα, οι εγκάρσιες δυνάμεις λειτουργούν κάθετα σε αυτή τη γραμμή, προκαλώντας αυθόρμητες περιστροφές.
Αυτό σημαίνει ότι τα σωματίδια ενός τέτοιου συστήματος δεν μένουν απλώς στη θέση τους όπως σε έναν κανονικό κρύσταλλο, αλλά αρχίζουν να περιστρέφονται γύρω το ένα από το άλλο, δημιουργώντας μια δυναμική και «ζωντανή» δομή. Ο καθηγητής Hartmut Löwen από το Heinrich-Heine University εξηγεί:
Όταν έχεις πολλά περιστρεφόμενα συστατικά σε υψηλή πυκνότητα, προκύπτει μια νέα, απρόβλεπτη μορφή ύλης. Οι μηχανικές ιδιότητές της είναι τόσο παράξενες που σχεδόν αψηφούν τη διαίσθηση.
Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά των περιστρεφόμενων κρυστάλλων είναι η λεγόμενη «παράδοξη ελαστικότητα» ή «odd elasticity». Σε ένα κοινό στερεό, όταν εφαρμόζεται δύναμη, το υλικό τεντώνεται ή συμπιέζεται ανάλογα με την κατεύθυνση της πίεσης. Στους περιστρεφόμενους κρυστάλλους, όμως, το αποτέλεσμα είναι απροσδόκητο: αντί να τεντωθούν, στρίβουν.
Αυτή η συμπεριφορά δεν είναι απλώς θεωρητική περιέργεια. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, οι κρύσταλλοι μπορούν να καταρρεύσουν από μόνοι τους, καθότι τα περιστρεφόμενα σωματίδια συγκρούονται μεταξύ τους, προκαλώντας τη διάσπαση του υλικού σε μικρότερα «κομμάτια» που συνεχίζουν να περιστρέφονται ανεξάρτητα. Και, με τον ίδιο αυθόρμητο τρόπο, τα κομμάτια αυτά μπορούν αργότερα να ξαναενωθούν, σχηματίζοντας έναν νέο, σταθερό κρύσταλλο.
Ο καθηγητής Zhi-Feng Huang από το Wayne State University, συν-επικεφαλής της μελέτης, εξηγεί ότι:
Αυτό που βλέπουμε είναι μια μορφή ύλης που διαθέτει ιδιότητες αναγέννησης. Σαν να παρατηρούμε ένα ανόργανο σύστημα που μιμείται τη συμπεριφορά των ζωντανών οργανισμών.
Σε αντίθεση με τους συνηθισμένους κρυστάλλους, που μεγαλώνουν σταθερά υπό ευνοϊκές συνθήκες, οι περιστρεφόμενοι κρύσταλλοι συμπεριφέρονται ανάποδα. Οι μεγάλοι σχηματισμοί τείνουν να διασπώνται σε μικρότερους, ενώ οι μικροί μεγαλώνουν μέχρι να φτάσουν ένα κρίσιμο μέγεθος, μετά το οποίο σταθεροποιούνται.
Η ομάδα ανακάλυψε ότι η σχέση μεταξύ του μεγέθους ενός τέτοιου θραύσματος και της ταχύτητας περιστροφής του είναι θεμελιώδης, και πιθανόν να κρύβει έναν νέο φυσικό νόμο. Όπως σημειώνει ο Huang, «εντοπίσαμε μια βασική ιδιότητα της φύσης που ρυθμίζει πότε και πώς αυτά τα συστήματα σταθεροποιούνται. Είναι ένας εντελώς νέος τρόπος να κατανοήσουμε την ανάπτυξη της ύλης».
Ο καθηγητής Raphael Wittkowski από το RWTH Aachen προσθέτει ότι τα ελαττώματα στους κρυστάλλους δεν είναι απλώς ατέλειες, αλλά διαθέτουν δική τους δυναμική.
Μπορούμε να επηρεάσουμε εξωτερικά τη δημιουργία και την κίνηση αυτών των ελαττωμάτων, κάτι που επιτρέπει να "προγραμματίζουμε" τις ιδιότητες του υλικού κατά βούληση.
Το φαινόμενο των εγκάρσιων δυνάμεων δεν είναι αποκλειστικά τεχνητό. Παρόμοιες αλληλεπιδράσεις έχουν παρατηρηθεί και στη φύση, όπως σε ένα πείραμα του MIT όπου έμβρυα αστερίων της θάλασσας κολυμπούσαν με τρόπο που προκαλούσε συλλογική περιστροφή. Παρόλο που ο βιολογικός ρόλος αυτής της συμπεριφοράς παραμένει ασαφής, οι φυσικοί βλέπουν ένα κοινό υπόβαθρο: την ύπαρξη σωματιδίων ή οργανισμών που αλληλεπιδρούν εγκάρσια, δημιουργώντας μακροσκοπικές δομές με αυτοοργάνωση.
Ο Michael te Vrugt από το University of Mainz επισημαίνει ότι το θεωρητικό πλαίσιο που ανέπτυξαν «καλύπτει ένα ευρύ φάσμα συστημάτων — από κολλοειδή και νανοσωματίδια μέχρι βιολογικούς ιστούς». Η δυνατότητα ελέγχου αυτών των ιδιοτήτων ανοίγει δρόμους για εφαρμογές σε έξυπνα υλικά, τεχνολογικά κυκλώματα ή ακόμα και σε βιομιμητικά ρομπότ.
Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι οι μηχανικές ιδιότητες αυτών των κρυστάλλων —όπως η παράξενη ελαστικότητά τους— θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν σε νέου τύπου διακόπτες ή αισθητήρες, ικανούς να αντιδρούν σε μηχανικά ερεθίσματα με περιστροφική παραμόρφωση αντί για γραμμική.
[source]
