Para peneliti menemukan mekanisme yang memungkinkan kacamata meregulasi kerapuhannya sendiri

Bahan dengan respons mekanis adaptif sendiri telah lama dicari dalam ilmu material. Menggunakan simulasi komputer, para peneliti dari Tata Institute for Fundamental Research (TIFR), Hyderabad, sekarang menunjukkan bagaimana perilaku adaptif seperti itu dapat muncul dalam kacamata aktif, yang banyak digunakan sebagai model untuk jaringan biologis.

Temuan, diterbitkan Di koran Fisika AlamBerikan ide -ide baru, yang meluas dari bagaimana sel dapat mengatur kaca mereka untuk membantu dalam desain metamaterial baru.

Kacamata (atau padatan amorf) adalah bahan yang komponennya tidak memiliki urutan tertentu. Ini kontras dengan kristal, di mana atom diatur dalam pola yang dipesan dan diulang dalam jaringan yang ditentukan dengan baik. Sementara kristal dipesan dan hampir sempurna, bahan amorf ditentukan oleh gangguan mereka.

Ketika bahan -bahan berantakan ini terdiri dari komponen yang dapat menggunakan cadangan energi internal dan bergerak secara mandiri, mereka membentuk apa yang dikenal sebagai kacamata aktif.

Sistem ini berlimpah di lingkungan di mana partikel dikemas dengan baik dan memiliki cadangan kimia, misalnya, sel epitel atau koloni bakteri.

Namun, tidak semua kacamata sama. Tergantung pada persiapannya, bahan yang sama dapat membentuk kacamata dengan variabel yang luas sifat mekanik. Ketergantungan pada sejarah ini adalah segel khas sistem non -keseimbangan: Ingat bagaimana mereka disiapkan!

Untuk mempersiapkan a kacaMulailah dengan cairan (hampir semua cairan akan bekerja) dan dingin dengan cepat oleh titik lelehnya. Jika pendinginan cukup cepat, kristalisasi dapat dihindari, menghasilkan cairan super -up.

Ketika suhu terus menurun, ada suhu yang ditentukan secara empiris di bawah dinamika berkurang secara dramatis sehingga pemantauan sistem dalam detail apa pun menjadi tidak layak. Ini adalah suhu transisi kaca yang terkenal. Di bawah titik ini, sistem ini secara efektif dalam keadaan yang ditangkap. Dan voila, yang Anda miliki sekarang adalah gelas.

Yang sangat menarik adalah bahwa, meskipun dinamika telah berubah secara drastis, sistem tidak banyak berubah. Masih ada pemahaman yang jelas tentang bagaimana crossover ini terjadi pada negara yang ditangkap. Ngomong -ngomong, sifat transisi ini disebutkan oleh Hadiah Nobel PW Anderson sebagai “masalah tanpa menyelesaikan dan menarik teori solid state”, dan masih sulit dicapai.

Tergantung seberapa cepat atau memperlambat Anda dingin dalam hal ini Suhu transisi kacaAnda mendapatkan kacamata dengan sifat mekanik yang berbeda.

Secara umum, pendinginan yang lebih lambat menghasilkan kacamata yang diperoleh dengan baik, yang rapuh (sistem yang tiba -tiba rusak dengan klik akut di bawah beban eksternal), sementara pendinginan yang lebih cepat menghasilkan kacamata yang tidak berkumpul, yang lebih pedas (sistem yang memanjang dan membentuk leher sebelum akhirnya pecah).

Cara lain untuk memvisualisasikan ini adalah melalui lanskap energi, dengan hambatan (bukit) yang memisahkan minimum lokal (lembah). Dapat dipertimbangkan bahwa setiap konfigurasi kaca terperangkap dalam salah satu dari banyak minimum lokal ini, dengan hambatan yang mencegah transisi dan mengeksplorasi status energi rendah lainnya. Pendinginan yang lebih baik saat membuat kaca membawa sistem ke minimum yang lebih dalam di lanskap ini.

Sharma dan Karmakar menemukan bahwa memberikan motilitas tambahan untuk beberapa komponen kaca yang dikumpulkan dengan buruk menginduksi anil tambahan dalam sistem, membawanya ke daerah lanskap yang semakin rendah. Ini tercermin sebagai penurunan bertahap dalam energi potensial sistem.

Mereka menunjukkan bahwa pengaturan ulang lokal yang disebabkan oleh aktivitas dalam kaca dapat mengumpulkan sistem yang cukup untuk mengubah bahan yang awalnya ulet menjadi yang rapuh. Intinya, para peneliti menemukan bahwa dinamika aktif dapat memberikan sarana untuk melewati panorama energi dengan lebih efektif.

Akibat wajar dari ini adalah bahwa peningkatan penuaan yang diamati pada kacamata aktif sebagian dapat menjelaskan beberapa perubahan mekanis yang diamati pada jaringan penuaan dan matang.

Oleh karena itu, terinspirasi oleh jaringan biologis, orang dapat merancang metamaterial baru yang menggabungkan komponen aktif untuk mengatur kerapuhan mereka sepanjang siklus hidup mereka.

Yang lebih menarik, penelitian ini menemukan bahwa kacamata aktif memiliki banyak fenomena yang sama yang diamati pada kacamata yang mengalami geser osilasi (atau siklik). Untuk menggambarkan secara singkat deformasi pemotongan siklik, bayangkan mengambil kotak yang solid dan memperbaiki alasnya sehingga tidak dapat bergerak.

Sekarang, pegang bagian atas dan dorong berulang kali dan tarik sepanjang arah tetap sejajar dengan wajah atas. Ini adalah kartun yang disederhanakan dari pemotongan osilasi.

Studi ini menemukan bahwa amplitudo dan frekuensi osilasi tersebut dikenakan pada padatan amorf pasif dapat secara efektif memetakan kekuatan kekuatan aktif dan waktu kegigihannya, masing -masing, dalam kacamata aktif.

Selain menunjukkan anil mekanis, karakteristik lain dari kacamata di bawah geser osilasi adalah bahwa, setelah siklus berulang, amplitudo deformasi dicetak dalam sistem. Kesan ini dapat “dibaca” dengan teknik canggih.

Anehnya, efek memori yang serupa juga ditemukan dalam kasus kacamata aktif, menggunakan protokol bacaan yang sedikit berbeda tetapi serupa. Karena aktivitas dalam rakitan sel umumnya dikendalikan oleh metabolisme mereka, efek memori yang diamati dapat memberikan informasi tentang bagaimana pembelajaran dan kebutuhan metabolisme terhubung.

Kesamaan lain termasuk transisi sistem keadaan yang melekat pada keadaan terfluidisasi dalam nilai mengemudi yang besar. Fluidisasi dalam kacamata aktif ini telah banyak dipelajari dalam literatur dan sangat penting untuk memahami biofisika penyembuhan luka dan morfogenesis, yang melibatkan migrasi sel massa.

Fakta bahwa sistemnya serumit kacamata aktif dapat memetakan pada dasarnya dalam kacamata biasa di bawah geser osilasi menyiratkan bahwa para peneliti sekarang dapat menggunakan kotak alat yang luas yang dikembangkan untuk memahami padatan amorf untuk mempelajari sistem biofisik.

Studi ini mengungkapkan analogi yang mendalam antara kacamata aktif dan padatan amorf yang dipromosikan secara siklis, menetapkan aktivitas internal sebagai media baru untuk mengumpulkan kacamata.

Namun, metode ini berjuang untuk mencocokkan kinerja teknik khusus silikon sebagai swap Monte Carlo.

Gerakan non -lokal, seperti pertukaran partikel melalui jarak sewenang -wenang, memungkinkan swap Monte Carlo untuk mencapai keadaan energi yang sangat rendah yang tetap di luar jangkauan metode lokal seperti anil yang disebabkan oleh aktivitas.

Diperlukan lebih banyak eksplorasi untuk menentukan apakah metode lokal ini dapat menjadi lebih kompetitif dengan teknik khusus lainnya atau jika mereka digunakan bersama untuk menyeimbangkan kacamata lebih lanjut. Ini, bersama dengan eksplorasi memori dan efek belajar pada sistem aktif, menyajikan jalur yang menjanjikan untuk penelitian di masa depan.