Материалы с самоадаптивными механическими свойствами долгое время были мечтой материаловедов. 🔬 Ученые из Института фундаментальных исследований Тата (TIFR, Хайдарабад) с помощью компьютерного моделирования показали, как такие свойства могут возникать в активных стеклах — материалах, которые часто используют для моделирования биологических тканей.
Результаты исследования, 🌟опубликованные в журнале Nature Physics, открывают новые горизонты: от понимания регуляции «стеклоподобных» свойств клеток до разработки метаматериалов с уникальными характеристиками.
Стекло (аморфный твердый материал) состоит из частиц без четкой упорядоченности, в отличие от кристаллов, где атомы образуют строгие повторяющиеся структуры. ❄️ Если в кристаллах царит порядок, то аморфные материалы определяются хаосом.
Активные стекла — это системы, где неупорядоченные частицы способны использовать внутреннюю энергию для автономного движения. ⚡ Примеры таких систем — эпителиальные клетки или бактериальные колонии. 🦠
Не все стекла одинаковы: их механические свойства зависят от истории «приготовления». Это ключевая черта неравновесных систем — они «помнят», как их создавали! 🕰️
Как создают стекло? Берут жидкость, быстро охлаждают, избегая кристаллизации, и получают переохлажденную жидкость. При дальнейшем охлаждении ниже температуры стеклования движение частиц почти останавливается — и вуаля, стекло готово! 🥶🛑
Парадокс: структура материала почти не меняется, но динамика резко замедляется. Нобелевский лауреат Ф. Андерсон называл этот переход «самой глубокой нерешенной проблемой физики твердого тела». 🏆
Свойства стекла зависят от скорости охлаждения:
- Медленное охлаждение → хрупкое стекло (ломается резко, с треском). 💥
- Быстрое охлаждение → пластичное стекло (растягивается перед разрывом). 🧵
Энергетический ландшафт стекла можно представить как долины (минимумы энергии) и холмы (барьеры). Чем глубже долина, тем стабильнее система. 🏞️
Открытие Шармы и Кармакар: добавление подвижности частицам в плохо отожженном стекле вызывает его самооптимизацию, снижая энергию системы. Это превращает пластичный материал в хрупкий! 🔍🚀
Связь с биологией: ускоренное «старение» активных стекол может объяснять механические изменения в тканях при старении. 🧓 Это открытие вдохновляет на создание метаматериалов с регулируемой прочностью. 🛠️
Удивительный параллелизм: активные стекла ведут себя как обычные стекла под циклической деформацией. Например, колебания сдвига можно сопоставить с активностью частиц. 🔄↔️
Эффект памяти: после многократных деформаций стекло «запоминает» их амплитуду. 🧠 Это может помочь понять связь между метаболизмом и обучением в биологических системах.
Флюидизация (переход в «жидкое» состояние под нагрузкой) важна для изучения заживления ран и морфогенеза, где клетки массово мигрируют. 🩺
Ключевой вывод: активные стекла и обычные стекла под циклическим сдвигом подчиняются схожим законам. Это позволяет применять методы физики твердого тела к биосистемам. 🗺️
Ограничения: метод уступает алгоритмам вроде «обменного Монте-Карло», где частицы перемещаются на большие расстояния. 🚫 Но комбинация подходов может открыть новые возможности для изучения памяти и самоорганизации в активных системах. 🔮
—
Предоставлено: Институт фундаментальных исследований Тата.
Источник: [Atomic and Condensed Matter](https://www.physicsforums.com/).