TLDR: Vzájemně propojené minikroužky vytvořené skrze 3D tisk mohou vytvořit hybrid mezi pevným a zrnitým materiálem. Studie a oznámení tuna.

Oheň, kameny a psi – trio našich prvních technologií má své využití dodnes! U ohně a psů to asi znáte sami, u šutráků to platí jenom metaforicky. Pes je však zakopaný v tom, že nám doba kamenná otevřela vrátka k bronzu, železu a dalším matrošům! Považte: kdyby našim nejlepším materiálem bylo dřevo, o dost hůře bychom z nitra země dolovali tvrdší kovy, tavili je v dřevěných pecích a slévali z nich do dřevěných kádí kýžené produkty. Nové materiály dnes však častokrát nejsou již o původním prvku či jeho kombinaci (slitině) s jinými prvky, nýbrž o jeho niterné (mikro)struktuře dodané člověkem!

Tak, jako toho dosáhli vědátoři s novým typem materiálu, který není ani zrnitý, ani krystalický, a na některé tlaky reaguje jako tekutina, a na jiné zase jako pevná látka…

„Co je to zas za černou magii?”

Materiál nese jméno PAM a vznik v Caltechu v laboratoři Chiary Daraiové. PAM je zkratkou Polykatenovaného architektonického materiálu, přičemž se očekává že by mohl najít využití v různých oblastech, od přileb a dalších ochranných pomůcek až po biomedicínská zařízení či robotiku. I když v přírodě se jeho struktura (co víme) nevyskytuje, znáte nejspíše jeho jiný, historický a lidmi vytvářený analog: zbroj vzniklou z malých kovových kroužků spojených do sítě, které se nejčastěji používají jako pružná forma brnění.

PAM sdílí stejný princip propojených tvarů, jako je tomu u kroužkové zbroje – také v jejím případě se materiál skládá z různých tvarů spojených do trojrozměrných vzorů, jejichž konfigurace jsou téměř nepředstavitelně variabilní. Výsledné materiály, vzniklé fyzicky s pomocí 3D tiskáren, přitom vykazují chování, které se u jiných typů materiálů nevyskytuje.

Původně chtěli vědátoři jít dokonce o úroveň níže a vytvořit molekulární kroužkový materiál – to ale zatím ještě neumíme – i když takováto idea může svým způsobem připomínat tzv. nenewtonowské kapaliny, jako je například škrob ve vodě. V jejich roztoku se nacházejí i delší makromolekulární řetězce (škrob je polymer), které po sobě při pomalé deformaci kloužou – takže když do toho pomalu štouchnete prstem, zaboří se, ale při rychlé deformaci se o sebe makromolekuly „zaklesnou“ a povrch ztvrdne. Jinak řečeno: když dáte roztoku prudce pěstí, viz tu a hír, ztvrdne. Zkuste to doma se solamylem…

Každopádně, výzkumníci si při studiu chování možných molekulárních struktur museli pomoct „zvětšeninou” tohoto nápadu – po sérii počítačových modelů a replikaci skrze 3D tiskárnu se přitom ukázalo, že i takový materiál může být zajímavý!

„Co to umí a bude chleba levnější?“

PAM může mít různé složení – autoři jej vytiskli z různých materiálů včetně akrylových polymerů, nylonu a kovů. Většina prototypů vypadá zatím jako pěticentimetrové krychle nebo koule o průměru 5 cm, a právě tyto byly vystaveny různým druhům fyzikálního namáhání. Následné testování v tlaku, smyku či tahu odhalilo, že matroš mnohdy reaguje překvapivým způsobem – třeba na smyk reaguje jako kapalina a vystavuje působení nulový odpor.

Vědátoři tak o PAM mluví jako o „novém typu hmoty”, ale osobně bych tak daleko nešel, protože si pod tím čtenář nejspíše představí nějaké magicko-kvantové techtle mechtle spíše než známý materiál, ale vytištěný v jiné struktuře. Je nicméně pravda, že PAM se vymyká (či dokonce smyká!) běžnému rozřazení materiálů na pevný matroš s krystalickou mřížkou ANEBO na matroš zrnitý, který se skládá z diskrétních částic schopných volně se pohybovat a posouvat vůči sobě (např. mletá káva).

PAM se této binární klasifikaci vymykají. Jeho jednotlivé částice jsou spojeny stejně jako v krystalických strukturách – a přesto (protože se tyto částice mohou vůči sobě volně pohybovat), proudí či kloužou po sobě a mění svou relativní polohu, tedy spíše jako zrnka písku! PAM se od sebe navíc mohou velmi lišit – lze je tisknout z měkkých nebo tvrdých materiálů, lze měnit tvar jednotlivých částic a lze měnit i mřížku, která tyto částice spojuje.

Co s tím lze všechno dělat, teprve začneme chápat…

„Tak víme, jak to vypadá, ale z čeho to je?“

Autoři si již představují možné využití – PAM je jedinečný zejména pro pohlcování energie. Protože se každý prvek může vzájemně posouvat, otáčet a reorganizovat, mohou velmi účinně rozptylovat energii – to v praxi znamená, že by z PAM mohly být zajímavé helmy, zbroje/obaly či jiné ochranné prvky v situacích, kde je vyžadováno tlumení nebo stabilizace (mimochodem i podobně nenewtonowsky se chovající plastické hmoty se využívají právě pro takové typy sportovních chráničů, viz hír). Uplatnění však už bude na jiných fachmanech a soukromém sektorů…

Vědátoři z Caltechu samože nejsou první, které napadlo dodat nějakému známému matroši novátorskou strukturu – vnitřní architektura matrošů se řeší dvacet, třicet let. Shodou náhod před pár dny vyšel jiný, velmi podobný nápad, který již dosáhl na úroveň molekul, byť zase s menší (metaforickou) průžností. Zjevně jsme tedy stále neobjevili všechny její nuance a možnosti, který mohou i starého psa furt naučit novým kouskům!

[Ladislav Loukota, JRN]

Vědátor vznikl jako spinoff spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd, dnes jej provozuje spolek Hyperion Media. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – kontaktní mail je hatemail@vedator.org