Cómo la geométrica no coincidente puede aumentar el poder físico y la crueldad

Cualquiera que haya intentado mancharse un piso, una placa trasera o incluso un proyecto de arte y artesanía, tal vez conozca la decepción emocional de trabajar con piezas cuyas formas no se complementan entre sí. Sin embargo, resulta que algunos organismos realmente pueden confiar en el mismo desajuste para crear frustraciones geométricas, lo que resulta en estructuras naturales complejas con propiedades notables, como conchas protectoras y huesos fuertes pero flexibles.

Ahora, los investigadores de la Universidad de Michigan han desarrollado modelos matemáticos, en los que se muestra que la naturaleza lo alcanza. Estos modelos, a su vez, pueden ayudar a diseñar materiales avanzados para dispositivos médicos, construcciones permanentes y más.

"Desesperado: usando estos bloques de construcción no coincidentes, aumenta la gran complejidad y esta complejidad puede ser útil para proporcionar mejores propiedades físicas", dijo Xiaoming Mao, profesor de física de UM y escritor senior de nuevos estudios.

Los grupos de investigación de Mao siempre están interesados ​​en la relación entre estructuras y propiedades de un material. Pero este proyecto especial se inspiró en una imagen, que vieron de un organismos de una sola célula llamados cocolitofaras que hacen hermosas conchas geométricas a partir de carbonato de calcio.

Pensar cómo estos organismos simples pueden usar ingredientes básicos para crear estructuras complejas. A medida que los investigadores cavaron en el problema, descubrieron que la estrategia no se limitaba a Cocolithophorus.

Mao dijo: "Hay muchos, muchos ejemplos en la naturaleza". "Y la frustración geométrica es una de las rutas que conduce a estas increíbles estructuras".

Además de proporcionar una estética sorprendente, la frustración también ayudó a suministrar materiales con cualidades deseables desde la perspectiva de la ingeniería. Pueden ser flexibles, pero fuertes y estrictos, y representaban brechas dentro de su estructura.

"Si podemos aprender a construir con estos síntomas, podemos usar menos materiales y terminar con mejores propiedades mecánicas", dijo Mao. "Esto nos da una nueva forma de pensar en la fabricación permanente".

Para dar un paso hacia él, el equipo recurrió a una rama de las matemáticas, llamada teoría del gráfico cómo las estructuras pueden terminar con el nivel correcto de desesperación. Su enfoque permitió a los investigadores crear diagramas de fase, que ayudan a predecir las propiedades físicas para varias estructuras frustradas, en función de cómo empacaron sus bloques de construcción simultáneamente.

Hizo esto por dos tipos de frustración, que se llama no comunicativo y acumulativo. El caso de no comunicativo ya es como un ejemplo de mosaico, donde cierta irregularidad en forma de los bloques de construcción evita que el patrón final del revestimiento sea muy bien.

En frustración acumulativa, los bloques de construcción pueden tener una forma completamente, pero su geometría les impide empacar a la ubicación que intentan cubrir. Por ejemplo, están tratando de mortal una superficie plana con el pentágono.

El equipo descubrió patrones geométricos separados que surgieron de estos dos tipos de frustración. En ambos casos, es necesario tener algunas organizaciones en la estructura de bloques y vacíos, algunos materiales cuantitativos tocados para redimir completamente la coordinación menor introducida por los materiales. Pero también hay un punto en el que la estructura se vuelve muy organizada y sus propiedades físicas pagan el precio.

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"Así que nada como un cristal simple te da lo que quieres, pero algo que está completamente desorganizado, tampoco funcionará", dijo Mao.

Dijo que hay un nivel de Goldelox en el medio.

Los colegas de Mao y Um los informaron Trabajar En el diario Documento de revisión físicaEl equipo también incluyó a Nicolas Kotov, profesor de ingeniería química e investigador de estudiantes graduados José Ortise-Tuperaz y Zhen Yang.

El trabajo del equipo continuará en el Centro de Investigación de la Fundación Nacional de Ciencias Compass, con sede en UM, donde las próximas etapas incluyen trabajar con colegas, que incluyen estudiar ejemplos del mundo real a través de sus nuevas lentes modelo y extraer nuevas lecciones para ingeniería de contenido avanzado.

Mao dijo: "El estudio que acabamos de hacer es que llamaremos un" modelo de juguete "en la física teórica". "Realmente queremos ver materiales reales y aquí es donde viene la brújula. Hay muchas personas que estudian cosas tan reales que están produciendo datos reales, que están utilizando AI para analizar la complejidad y los patrones internos de estos materiales. Es cómo combinaremos la complejidad con la funcionalidad".