Физици откриват странни въртящи се кристали, които се държат като жива материя

Въртящите се кристали, които се усукват, разбиват и се възстановяват, може да са ключът към материалите от следващо поколение

Ваня Милева Последна промяна на 22 октомври 2025 в 11:00 201 0

Физици разкриват очарователния свят на "въртящите се кристали" – твърди тела, съставени от въртящи се частици, които се държат по странен начин - почти като живи. Тези странни материали могат да се усукват, вместо да се разтягат, да се разбиват на фрагменти и дори да се сглобяват отново.

Може да звучи невероятно, но кристалите, изработени от въртящи се частици, са реални.

Група физици от Аахен, Дюселдорф, Майнц и Държавния университет Уейн в Детройт, САЩ, са изследвали тези необичайни материали и тяхното забележително поведение. Тези кристали могат лесно да се разделят на отделни фрагменти, да образуват необичайни граници между зърната си и да показват контролируеми структурни дефекти.

В проучване, публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), изследователите представят широка теоретична рамка, която може да предскаже няколко нови свойства на тези така наречени системи с "напречно взаимодействие".

Въртящи се системи в природата и технологиите

"Напречните сили" могат да се появят не само в инженерни материали, като например някои магнитни твърди тела, но и в биологични системи. В експеримент в Масачузетския технологичен институт (MIT) изследователи наблюдават, че групи от ембриони на морски звезди, чрез своите плувни движения, влияят взаимно на движението си по начин, който ги кара да се въртят един около друг. Биологичната функция на това координирано движение остава неясна, но то споделя същата фундаментална характеристика, която се среща и в тези синтетични системи: взаимодействащи, въртящи се обекти.

"Система от много въртящи се съставни елементи показва качествено ново поведение, което не е интуитивно: При високи концентрации тези обекти образуват твърдо тяло от ротори, които притежават "странни" материални свойства", разказва професор д-р Хартмут Льовен (Hartmut Löwen) от Института по теоретична физика II в Университета "Хайнрих Хайне" в Дюселдорф (HHU).

Едно такова свойство е "странната еластичност". Обикновено, когато даден материал се дърпа, той се разтяга по посока на силата. Но тези нестандартни еластични материали не се разтягат, а се усукват.

Въртене, разрушаване и трансформиране

Този вид "странно" твърдо вещество може дори да се разпадне само. Когато въртящите се градивни елементи се трият достатъчно силно, твърдото вещество може да се фрагментира на много по-малки въртящи се кристалчета. Още по-изненадващо е, че тези фрагменти по-късно могат отново да се сглобят в кохерентна - съгласувана и подредена - структура.

Изследователският екип, ръководен от професор д-р Джъ-Фън Хуан (Zhi-Feng Huang) от Университета на щата Уейн и професор Льовен, е разработил многомащабен теоретичен модел, за да опише поведението на тези странни кристали. Използвайки този модел, изследователите извършват симулации, които разкриват неочаквани структури и възможни технологични приложения на тези въртящи се материали.

Обратно на правилата за растеж на кристалите

Екипът установява, че големите кристали, управлявани от напречни взаимодействия, са склонни да се разпадат на по-малки въртящи се единици, докато по-малките кристали растат, докато достигнат определен критичен размер. Този резултат противоречи на обичайния растеж на кристали, при който материалите обикновено се разширяват постоянно при благоприятни условия.

Саморазделяне на въртящо се странно зърно при силна напречна сила на взаимодействие, произтичащо от нестабилност на повърхностния връх и пролиферация на дислокации. Кредит: Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025; DOI: 10.1073/pnas.2511350122

"Открихме фундаментално свойство на природата, което е в основата на този процес и определя връзката между размера на критичните фрагменти и скоростта им на въртене", обяснява професор Хуан.

Съавторът на изследването, професор д-р Рафаел Витковски (Raphael Wittkowski) от Института за интерактивни материали "Лайбниц" и от университета RWTH в Аахен, добавя:

"Освен това демонстрирахме как дефектите в кристалите проявяват собствена динамика. Образуването на такива дефекти може да бъде повлияно отвън, което позволява свойствата на кристалите да бъдат целенасочено контролирани с оглед на приложенията на употреба."

"Нашата широкообхватна теория обхваща всички системи, доказващи такива напречни взаимодействия. Възможните приложения варират от колоидни изследвания до биология", заявява съавторът д-р Михаел те Вругт (Michael te Vrugt), доцент в университета в Майнц.

Професор Льовен добавя: "Моделните изчисления показват потенциал за конкретни приложения. Новите еластични свойства на тези нови кристали биха могли да бъдат използвани например за изобретяване на нови технически комутационни елементи."

Осови и напречни сили

Най-общо във физиката осовите (надлъжните) сили действат по линия, свързваща две точки, като величината им зависи от разстоянието между тях, докато напречните сили действат перпендикулярно на тази централна ос, често причинявайки въртене или срязване.

Примери за осови сили са гравитационните и електростатичните сили. В строителното инженерство напречните сили се разглеждат в като сили на срязване и огъване, във физиката на елементарните частици, напречните сили могат да предизвика въртене.

Напречните взаимодействия в разглежданите новооткрити въртящи се кристали са наскоро открит клас сили, които действат перпендикулярно на централната ос. Тяхното необичайно подреждане кара елементите им да започнат спонтанно да се въртят един около друг.

Справка: Zhi-Feng Huang, Michael te Vrugt, Raphael Wittkowski, Hartmut Löwen. Anomalous grain dynamics and grain locomotion of odd crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025; 122 (42) DOI: 10.1073/pnas.2511350122

Източник: Physicists discover strange spinning crystals that behave like living matter, Physicists discover strange spinning crystals that behave like living matter

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !