Ett team av fysiker har upptäckt ovanliga roterande kristaller gjorda av snurrande partiklar som uppvisar beteenden som liknar levande materia, såsom att vrida sig istället för att sträcka sig och självremontering efter brott. Dessa material, som styrs av transversella interaktioner, utmanar konventionella regler för kristalltillväxt. Resultaten, publicerade i Proceedings of the National Academy of Sciences, tyder på potentiella tillämpningar inom teknik och biologi.
Fysiker från universitet i Aachen, Düsseldorf och Mainz i Tyskland, samt Wayne State University i Detroit, USA, har utforskat kristaller sammansatta av roterande partiklar. Dessa fasta ämnen uppvisar konstiga egenskaper, inklusive förmågan att splittras i fragment, bilda ovanliga kornbgränser och visa kontrollerbara strukturella defekter. Forskningen, detaljerad i en studie publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences, introducerar ett teoretiskt ramverk för att förutsäga beteenden i system med transversella interaktioner.
Transversella krafter, som verkar vinkelrätt mot linjen som förbinder partikelcentra, får objekt att rotera runt varandra. Till skillnad från centrala krafter som gravitation leder dessa interaktioner till spontan rotation. Sådana krafter förekommer i både syntetiska material, som vissa magnetiska fasta ämnen, och biologiska system. Till exempel observerade experiment vid Massachusetts Institute of Technology att sjöstjärnsembryon roterar runt varandra genom koordinerade simrörelser.
Professor Dr. Hartmut Löwen från Heinrich Heine University Düsseldorf noterade: "Ett system med många roterande konstituerande element uppvisar ett kvalitativt nytt beteende som inte är intuitivt: Vid höga koncentrationer bildar dessa objekt en fast kropp av rotor, som har 'underliga' materialegenskaper." En nyckel egenskap är underlig elasticitet, där dragning i materialet får det att vrida sig snarare än att sträcka sig.
Kristallerna kan sönderfalla när roterande byggblock gnider mot varandra intensivt, och bryts i mindre snurrande kristalliter. Anmärkningsvärt kan dessa fragment senare återmonteras till en sammanhängande struktur. En multiskale teoretisk modell utvecklad av teamet, ledd av Professor Dr. Zhi-Feng Huang från Wayne State University och Professor Löwen, simulerade dessa dynamiker.
Till skillnad från typisk kristalltillväxt bryts stora kristaller under transversella interaktioner i mindre enheter, medan mindre växer till en kritisk storlek. Professor Huang förklarade: "Vi har upptäckt en fundamental egenskap hos naturen som ligger bakom denna process och som bestämmer relationen mellan storleken på de kritiska fragmenten och deras rotationshastighet."
Studie medförfattare Professor Dr. Raphael Wittkowski från RWTH Aachen University och DWI -- Leibniz Institute for Interactive Materials tillade: "Vi demonstrerade dessutom hur defekter i kristallerna uppvisar egna dynamiker. Bildandet av sådana defekter kan påverkas utifrån, vilket tillåter specifika kontroller av kristallernas egenskaper med hänsyn till användningstillämpningar."
Medförfattare Dr. Michael te Vrugt från University of Mainz uppgav: "Vår långtgående teori omfattar alla system som visar sådana transversella interaktioner. Tänkbara tillämpningar sträcker sig från kolloidforskning till biologi." Professor Löwen framhöll potentiella användningar: "Modellberäkningarna indikerar konkret tillämpningspotential. De nya elastiska egenskaperna hos dessa nya kristaller skulle kunna utnyttjas för att uppfinna nya tekniska brytarelement, till exempel."