कोलोराडो बोल्डर विश्वविद्यालय की एक इंजीनियरिंग टीम ने हाल ही में एक विज्ञान-फाई अनुभव के साथ एक नई प्रकार की सामग्री का प्रदर्शन किया: विशेष आकार वाले छोटे कणों से बनी एक उलझी हुई कण प्रणाली जो "कठोर पूरे" और "ढीले तरल पदार्थ" के बीच स्वतंत्र रूप से स्विच कर सकती है। शोधकर्ता सामान्य कार्यालय वस्तुओं की एक जोड़ी से प्रेरित थे। जब बड़ी संख्या में स्टेपल को एक गेंद में उलझाया जाता है, तो खींचे जाने पर वे पूरी तरह बाहरी ताकतों का विरोध करेंगे। हालाँकि, जब एक विशिष्ट तरीके से कंपन या हिलाया जाता है, तो वे जल्दी से ढीले हो जाएंगे और अलग-अलग धातु की पट्टियों के ढेर में ढह जाएंगे।
इस घटना ने शोधकर्ताओं को सामग्री डिजाइन दृष्टिकोण पर पुनर्विचार करने के लिए प्रेरित किया है: पारंपरिक अखंड ठोस या रासायनिक बंधन का उपयोग करने के बजाय, ज्यामितीय आकृतियों से शुरू करके, बड़ी संख्या में छोटे कणों का उपयोग करना जो भौतिक उलझाव के माध्यम से एक समग्र संरचना बनाने के लिए एक दूसरे से "जुड़े" हो सकते हैं, साथ ही जरूरत पड़ने पर जल्दी से विघटित होने में सक्षम होते हैं। "हम कई वर्षों से कॉन्फ़िगरेशन और ज्यामिति के साथ खेल रहे हैं, लेकिन हाल ही में हमने इंटरलॉकिंग, उलझे हुए कणों का गंभीरता से अध्ययन करना शुरू किया है," प्रोजेक्ट के नेता और उन्नत सामग्री और जैव-प्रेरणा प्रयोगशाला के निदेशक प्रोफेसर फ्रैंकोइस बार्थेलैट ने कहा। "यह प्रणाली प्रदर्शन संयोजनों का एक बहुत ही अनूठा सेट प्रदर्शित कर सकती है, और हमारा मानना है कि इसमें इंजीनियरिंग कल्पना के लिए बहुत जगह है।"
जर्नल ऑफ एप्लाइड फिजिक्स में प्रकाशित अध्ययन, इस घटना को "उलझाव" कहता है - वह प्रक्रिया जिसके द्वारा कण एक-दूसरे से उलझ जाते हैं और संरचनात्मक संबंध बनाते हैं। इसी तरह के सिद्धांत प्रकृति में परिचित हैं: पक्षियों के घोंसले मजबूती के लिए शाखाओं और तंतुओं की बुनाई पर निर्भर करते हैं, और हड्डियाँ यांत्रिक गुणों का संतुलन प्राप्त करने के लिए कठोर खनिजों और नरम प्रोटीन के बीच युग्मन पर निर्भर करती हैं। इंजीनियरिंग चुनौती कृत्रिम सामग्रियों में इस "इंटरलॉकिंग" प्रभाव को नियंत्रित तरीके से पुन: उत्पन्न करने में निहित है।
बार्थेलैट की टीम का मानना है कि कुंजी कणों की ज्यामिति में निहित है। "एक उदाहरण के रूप में रेत को लें। रेत के दानों की सतह चिकनी होती है और समग्र आकार उत्तल होता है। कणों के बीच वास्तविक इंटरलॉकिंग हासिल करना लगभग असंभव है," डॉक्टरेट छात्र यूहान सोहन ने समझाया। "लेकिन अगर हम 'रेत के कण' का आकार बदलते हैं, तो इसके स्थूल व्यवहार और यांत्रिक गुणों में भारी बदलाव आएगा, जिसमें अन्य कणों के साथ उलझने और जुड़ने की क्षमता भी शामिल है।"
यह महसूस करने के बाद कि आकार एक महत्वपूर्ण कारक है, शोधकर्ताओं ने विभिन्न आकृतियों के कणों के बीच बातचीत की भविष्यवाणी करने और उच्चतम स्तर की उलझन पैदा करने वाले ज्यामितीय डिजाइन ढूंढने के लिए मोंटे कार्लो सिमुलेशन, एक कम्प्यूटेशनल विधि का उपयोग किया। फिर उन्होंने "पिकअप परीक्षणों" की एक श्रृंखला के माध्यम से सिमुलेशन परिणामों को मान्य किया ताकि यह देखा जा सके कि नए डिज़ाइन किए गए कण वास्तविक संयोजन, उठाने और कंपन के दौरान कैसे व्यवहार करते हैं।
प्रयोग ने अंततः एक अप्रत्याशित लेकिन बेहद सरल उत्तर दिया: स्टेपल के समान "दो-पैर वाले" कणों ने आपस में जुड़ने की सबसे मजबूत प्रवृत्ति दिखाई। इस आकार में बड़ी संख्या में कणों को ढेर करने के बाद, सिस्टम को एक संपूर्ण बनाने के लिए कसकर उलझाया जा सकता है, और कुछ शर्तों के तहत ढीला और फैलाया भी जा सकता है।
यह डिज़ाइन कई महत्वपूर्ण प्रदर्शन लाभ लाता है, जिनमें से एक उच्च शक्ति और उच्च कठोरता का दुर्लभ संयोजन है। पारंपरिक सामग्रियों में, उच्च शक्ति अक्सर भंगुरता में वृद्धि के साथ होती है, जबकि उच्च कठोरता का अर्थ अक्सर ताकत में कमी होती है; हालाँकि, "स्टेपल कणों" से बनी यह उलझी हुई कण सामग्री तन्य शक्ति और कठोरता दोनों में अच्छा प्रदर्शन करती है। पीएच.डी. छात्र सईद पेज़ेश्की ने कहा: "हमारी उलझी हुई कण सामग्री उत्कृष्ट कठोरता का प्रदर्शन करते हुए उच्च शक्ति बनाए रखने के लिए इन स्टेपल कणों का उपयोग करती है।"
एक अन्य प्रमुख लाभ सिस्टम की तीव्र असेंबली और प्रतिवर्ती डिस्सेप्लर है। अनुसंधान टीम ने कणों के ढेर पर लागू कंपन मोड को बदलकर कणों के बीच इंटरलॉकिंग की डिग्री को ठीक किया: कोमल, कम तीव्रता वाले कंपन कणों को धीरे-धीरे एक दूसरे के बीच अंतराल में "ड्रिल" करने में मदद करते हैं, सख्त उलझाव बनाते हैं, और समग्र ताकत में सुधार करते हैं; जबकि मजबूत कंपन मूल संपर्क स्थिति को बाधित कर देगा, जिससे संरचना विघटित हो जाएगी और कण मुक्त-प्रवाह वाली दानेदार स्थिति में लौट आएंगे।
बार्थेलैट ने कहा, "यह एक बहुत ही अजीब सामग्री है। यह स्पष्ट रूप से तरल नहीं है, लेकिन इसे केवल ठोस के रूप में वर्गीकृत नहीं किया जा सकता है।" "यह इंजीनियरिंग डिज़ाइन के लिए एक नया द्वार खोलता है। जब आप वास्तव में उलझे हुए कणों की ऐसी गेंद को अपने हाथों से संचालित करते हैं, तो एक अजीब और अवास्तविक एहसास होगा।"
संभावित अनुप्रयोग दिशाओं में, टिकाऊ वास्तुकला एक महत्वपूर्ण परिदृश्य है। शोध दल की परिकल्पना है कि भविष्य की इमारतें और पुल आंशिक रूप से इस उलझी हुई कण सामग्री का उपयोग संरचना या भरने वाली इकाई के रूप में कर सकते हैं: सेवा अवधि के दौरान, उनके पास अच्छी भार-वहन क्षमता होती है; और जब निर्माण कार्य पूरा हो जाता है या संरचनात्मक जीवन समाप्त हो जाता है, तो घटकों या कणों के पुन: उपयोग और पुनर्चक्रण का एहसास करने के लिए उन्हें समग्र रूप से अलग किया जा सकता है।
रोबोटिक्स एक और संभावित रास्ता है। पेज़ेश्की ने खुलासा किया कि अन्य छात्रों के साथ चर्चा में, उनका मानना था कि इस भौतिक अवधारणा को "झुंड रोबोटिक्स" तक बढ़ाया जा सकता है: बड़ी संख्या में छोटे रोबोट आकार और तंत्र डिजाइन के माध्यम से एक-दूसरे से उलझ जाते हैं, और कार्य करते समय बड़े और अधिक जटिल संरचनाओं में संयुक्त हो जाते हैं; कार्य पूरा होने के बाद, वे एक-दूसरे से उलझ जाते हैं और नए निर्देशों को निष्पादित करने के लिए बिखर जाते हैं।
बार्थेलैट ने एक परिचित विज्ञान कथा छवि को रूपक के रूप में इस्तेमाल किया - फिल्म "टर्मिनेटर 2" में तरल धातु रोबोट टी -1000 के समान: यह एक छोटी सी जगह में तरल अवस्था में "द्रवीकृत" हो सकता है और बाधाओं से गुजर सकता है, और दूसरी तरफ एक पूर्ण रूप में फिर से संघनित हो सकता है। "बेशक, इस तकनीक की लागत वर्तमान में बहुत अधिक है, और बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग प्राप्त करने के लिए अभी भी कई चुनौतियाँ हैं, लेकिन यह एक दिशा है जिस पर कई शोधकर्ता ध्यान दे रहे हैं," उन्होंने कहा।
वर्तमान में, टीम अभी भी इस सामग्री प्रणाली को अनुकूलित करना जारी रख रही है और अधिक जटिल कण डिजाइनों का प्रयास कर रही है, जैसे कि अतिरिक्त उभरे हुए "पैर" या "हुक" को जोड़कर कणों को कुछ हद तक कपड़ों पर पाए जाने वाले कांटेदार ट्राइबुलस के समान बनाया जा सकता है। इस प्रकार की बहु-उभरी संरचना से उलझाव प्रभाव को और बढ़ाने और समग्र संरचना की स्थिरता और समायोजन क्षमता में सुधार होने की उम्मीद है।