物理学者のチームが、回転する粒子からなる異常な回転結晶を発見しました。これらの結晶は、伸張する代わりにねじれるなどの生体物質に似た振る舞いを示し、破壊後に自己再組立します。これらの材料は横方向相互作用によって支配され、従来の結晶成長ルールを挑戦します。米国科学アカデミー紀要に掲載された発見は、技術と生物学への潜在的な応用を示唆しています。
ドイツのアーヘン、ドュッセルドルフ、マインツの大学、および米国のデトロイトにあるウェイン州立大学の物理学者らが、回転粒子からなる結晶を探求しました。これらの固体は、断片に分裂する能力、不規則な粒界を形成する能力、制御可能な構造欠陥を示すなど、奇妙な性質を示します。米国科学アカデミー紀要に掲載された研究は、横方向相互作用を持つシステムの振る舞いを予測するための理論的枠組みを導入します。
粒子中心を結ぶ線に対して垂直に作用する横方向力は、物体が互いに回転する原因となります。重力のような中心力とは異なり、これらの相互作用は自発的な回転を引き起こします。このような力は、特定の磁性固体などの合成材料と生物学的システムの両方に現れます。例えば、マサチューセッツ工科大学の研究では、星魚の胚が協調した泳ぎの動きで互いに回転する様子が観察されました。
ハインリヒ・ハイネ・ドュッセルドルフ大学のハルトムート・レーヴェン教授博士は次のように述べました：「多くの回転構成要素からなるシステムは、非直感的で質的に新しい振る舞いを示します。高濃度では、これらの物体はローターの固体体を形成し、『奇妙な』材料特性を有します。」重要な特性の一つが奇妙な弾性で、材料を引き伸ばすと伸張する代わりにねじれます。
回転する構成要素が激しく擦れ合うと結晶は崩壊し、より小さな回転結晶体に破壊されます。驚くべきことに、これらの断片は後で一貫した構造に再組立可能です。チームが開発した多スケール理論モデルは、ウェイン州立大学のZhi-Feng Huang教授博士とLöwen教授が主導し、これらのダイナミクスをシミュレートしました。
典型的な結晶成長とは異なり、横方向相互作用下の大きな結晶は小さな単位に崩壊し、小さなものは臨界サイズまで成長します。Huang教授は説明しました：「このプロセスを支える自然の基本的な性質を発見しました。これは、臨界断片のサイズとその回転速度の関係を決定します。」
共同著者のRWTHアーヘン大学のRaphael Wittkowski教授博士とDWI -- ライプニッツ相互作用材料研究所は次のように付け加えました：「さらに、結晶の欠陥が独自のダイナミクスを示すことを実証しました。このような欠陥の形成は外部から影響を受け、結晶の特性を用途に応じて特異的に制御可能です。」
共同著者のマインツ大学のMichael te Vrugt博士は述べました：「私たちの広範な理論は、このような横方向相互作用を示すすべてのシステムを包含します。考えられる応用は、コロイド研究から生物学までです。」Löwen教授は潜在的な用途を強調しました：「モデル計算は具体的な応用可能性を示しています。これらの新しい結晶の新規弾性特性は、例えば新しい技術的スイッチング素子の発明に活用可能です。」