Nhóm kỹ thuật tại Đại học Colorado Boulder gần đây đã trình diễn một loại vật liệu mới mang lại cảm giác khoa học viễn tưởng: một hệ thống hạt vướng víu bao gồm các hạt nhỏ có hình dạng đặc biệt có thể chuyển đổi tự do giữa "toàn bộ cứng" và "chất lỏng lỏng". Các nhà nghiên cứu đã lấy cảm hứng từ một cặp kim bấm văn phòng thông thường. Khi một số lượng lớn kim bấm vướng vào một quả bóng, chúng sẽ chống lại các ngoại lực như một tổng thể khi bị kéo. Tuy nhiên, khi rung hoặc lắc theo một cách cụ thể, chúng sẽ nhanh chóng lỏng ra và sụp đổ thành một đống dải kim loại tách rời.
Hiện tượng này khiến các nhà nghiên cứu phải suy nghĩ lại về con đường thiết kế vật liệu: thay vì sử dụng chất rắn nguyên khối hoặc liên kết hóa học truyền thống, bắt đầu từ hình dạng hình học, sử dụng số lượng lớn các hạt nhỏ có thể "nối" nhau để xây dựng nên cấu trúc tổng thể thông qua sự vướng víu vật lý, đồng thời có thể nhanh chóng tan rã khi cần thiết. Trưởng dự án Francois, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Vật liệu Tiên tiến và Sinh học, cho biết: “Chúng tôi đã nghiên cứu các cấu hình và hình học trong nhiều năm, nhưng chỉ gần đây mới bắt đầu nghiên cứu nghiêm túc các hạt lồng vào nhau, vướng víu”. Giáo sư Barthelat cho biết: “Hệ thống này có thể thể hiện sự kết hợp các đặc tính rất độc đáo và chúng tôi tin rằng nó có tiềm năng lớn cho trí tưởng tượng kỹ thuật”.
Nghiên cứu được công bố trên "Tạp chí Vật lý Ứng dụng" gọi hiện tượng này là "vướng víu" - quá trình các hạt vướng víu vào nhau và hình thành các kết nối cấu trúc. Các nguyên tắc tương tự cũng quen thuộc trong tự nhiên: tổ chim dựa vào sự đan xen của các cành và sợi để tạo ra sức mạnh, còn xương dựa vào sự kết hợp giữa các khoáng chất cứng và protein mềm để đạt được sự cân bằng về tính chất cơ học. Thách thức kỹ thuật nằm ở việc tái tạo hiệu ứng “lồng vào nhau” này trong vật liệu nhân tạo theo cách có thể kiểm soát được.
Nhóm của Barthelat tin rằng chìa khóa nằm ở hình dạng của các hạt. Nghiên cứu sinh Sun Yuhan cho biết: "Lấy cát làm ví dụ. Bề mặt của các hạt cát mịn và hình dạng tổng thể lồi. Hầu như không thể tạo ra sự lồng vào nhau thực sự giữa các hạt". Sohn giải thích: “Nhưng nếu chúng ta thay đổi hình dạng của một hạt cát, hành vi vĩ mô và tính chất cơ học của nó sẽ thay đổi mạnh mẽ, bao gồm cả khả năng vướng víu và liên kết với các hạt khác”.
Sau khi nhận ra yếu tố then chốt của hình dạng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô phỏng Monte Carlo, một phương pháp tính toán, để dự đoán sự tương tác giữa các hạt có hình dạng khác nhau và tìm kiếm các thiết kế hình học có thể tạo ra mức độ vướng víu cao nhất. Sau đó, họ xác nhận kết quả mô phỏng thông qua một loạt "thử nghiệm thu gom" để xem các hạt được thiết kế mới hoạt động như thế nào trong quá trình lắp ráp, nâng và rung thực tế.
Thí nghiệm cuối cùng đã đưa ra câu trả lời bất ngờ nhưng vô cùng đơn giản: các hạt "hai chân" tương tự như ghim có xu hướng lồng vào nhau mạnh nhất. Sau khi xếp chồng một số lượng lớn các hạt theo hình dạng này, hệ thống có thể được quấn chặt để tạo thành một tổng thể, đồng thời cũng có thể được nới lỏng và phân tán trong một số điều kiện nhất định.
Thiết kế này mang lại một số lợi thế quan trọng về hiệu suất, một trong số đó là sự kết hợp hiếm có giữa độ bền cao và độ dẻo dai cao. Trong các vật liệu truyền thống, độ bền cao thường đi kèm với độ giòn tăng lên, trong khi độ bền cao thường đồng nghĩa với độ bền giảm; tuy nhiên, vật liệu hạt vướng víu này bao gồm "các hạt chủ yếu" hoạt động tốt cả về độ bền kéo và độ dẻo dai. Tiến sĩ sinh viên Saeed Pezeshki đã chỉ ra: "Vật liệu hạt vướng víu của chúng tôi sử dụng các hạt chủ yếu này để thể hiện độ dẻo dai tuyệt vời trong khi vẫn duy trì độ bền cao."
Một ưu điểm lớn khác là hệ thống có thể lắp ráp nhanh chóng và có thể đảo ngược. Nhóm nghiên cứu đã tinh chỉnh mức độ liên kết giữa các hạt bằng cách thay đổi chế độ rung áp dụng cho đống hạt: rung động nhẹ, cường độ thấp giúp các hạt từ từ “khoan” vào các khoảng trống giữa nhau, tạo thành các vướng víu chặt chẽ hơn, nâng cao sức bền tổng thể; trong khi những rung động mạnh hơn sẽ phá vỡ trạng thái tiếp xúc ban đầu, khiến cấu trúc bị phân hủy và các hạt trở về trạng thái dạng hạt chảy tự do.
"Đây là một loại vật liệu rất đặc biệt. Rõ ràng nó không phải là chất lỏng, nhưng nó không thể được phân loại đơn giản là chất rắn." Barthelat cho biết: "Điều này mở ra một cánh cửa mới cho thiết kế kỹ thuật. Khi bạn thực sự thao tác một quả bóng gồm các hạt vướng víu như vậy bằng tay, sẽ có một cảm giác kỳ lạ và siêu thực".
Trong số các hướng ứng dụng tiềm năng, kiến trúc bền vững là một kịch bản quan trọng. Nhóm nghiên cứu hình dung rằng các tòa nhà và cây cầu trong tương lai có thể sử dụng một phần vật liệu dạng hạt vướng víu này làm kết cấu hoặc bộ phận lấp đầy: trong thời gian sử dụng, chúng có khả năng chịu tải tốt; và khi nhiệm vụ xây dựng hoàn thành hoặc vòng đời kết cấu kết thúc, chúng có thể được tháo rời toàn bộ để thực hiện việc tái sử dụng và tái chế các thành phần hoặc hạt.
Robotics là một con đường khả thi khác. Pezeshki tiết lộ rằng trong các cuộc thảo luận với các sinh viên khác, anh tin rằng khái niệm vật liệu này có thể được mở rộng sang "robot học bầy đàn": một số lượng lớn robot nhỏ vướng vào nhau thông qua thiết kế hình dạng và cơ chế, đồng thời được kết hợp thành các cấu trúc lớn hơn và phức tạp hơn khi thực hiện nhiệm vụ; sau khi hoàn thành nhiệm vụ, chúng được gỡ rối và phân tán để thực hiện chỉ thị mới.
Barthelat đã sử dụng hình ảnh khoa học viễn tưởng quen thuộc làm ẩn dụ - tương tự như robot kim loại lỏng T-1000 trong phim "Kẻ hủy diệt 2": nó có thể "hóa lỏng" thành trạng thái lỏng trong một không gian nhỏ và vượt qua các chướng ngại vật, đồng thời có thể ngưng tụ lại thành dạng hoàn chỉnh ở phía bên kia. “Tất nhiên, giá thành của công nghệ này hiện rất cao và vẫn còn nhiều thách thức để đạt được ứng dụng quy mô lớn, nhưng đây là hướng đi được nhiều nhà nghiên cứu đang quan tâm”, ông nói.
Hiện tại, nhóm vẫn đang tiếp tục tối ưu hóa hệ thống vật liệu này, thử nghiệm các thiết kế hạt phức tạp hơn, chẳng hạn như thêm các "chân" hoặc "móc" nhô ra để làm cho các hạt có phần giống với vảy gai thường thấy trên quần áo. Loại cấu trúc nhiều phần nhô ra này được kỳ vọng sẽ nâng cao hơn nữa hiệu ứng vướng víu và cải thiện tính ổn định cũng như khả năng điều chỉnh của cấu trúc tổng thể.