Aine, mis kahaneb venitamisel

Uued metaained, mis kahanevad pinge all ja paisuvad kokkusurumisel, võivad peagi saada reaalsuseks tänu USA teadlaste tehtud teoreetilisele tööle.  Uurijad väidavad, et aineid, mis esmapilgul paistavad rikkuvat füüsikaseadusi, võib olla võimalik toota hetkel kättesaadava tehnoloogia abil.

Metaained on sünteetilised ained, mida kavandatakse tihti looduses mitteesinevate omadustega. Mõnedel kõige tuttavamatel neist on veidrad optilised omadused, näiteks negatiivne murdumisnäitaja, ning neid on kasutatud nähtamatuse „keepide“ valmistamisel. Hiljuti on teadustöö olnud suunatud eksootiliste mehaaniliste omadustega metaainete kavandamisele, mis vastavad neile avaldatud jõule ootamatult. Näiteks on toodetud vahte, mis muutuvad venitamisel paksemaks, mitte õhemaks, kirjutab Physicsworld.com.

Ebastabiilne tasakaal

Erilise huvi all on negatiivse kokkusurutavusega metaainete tootmise võimalikkus. Seesugused ained kahaneksid pinge all ja paisuksid kokkusurumisel. Mõned ained juba käituvad sellisel viisil, vastusena kiirelt varieeruvale sinusoidsele jõule. See on ajalise viivituse tulemuseks avaldatud jõu ja selle tõttu tekkiva moondumise vahel. Siiski on oletatud, et on võimalik valmistada aine, mis vastab sel viisil püsivale jõule, sest selline aine peaks eksisteerima ebastabiilse tasakaalu korral.

Kui võtta mõnest tavalisest ainest varras ning sellele survet avaldada, venib aine vähesel määral ja avaldab pinge tasakaalustamiseks taastusjõudu. Tulemuseks on uus tasakaaluseisund. Sarnaselt lüheneb varras kokkusurumise tõttu, avaldab taastusjõudu ja saavutab tasakaalu. Kui aga avaldada survet „negatiivse kokkusurutavusega“ ainele, kahaneb aine vähesel määral. Selle tõttu tõuseb pinge ning aine kahaneb veelgi. Loogilise tagajärjena põhjustaks isegi kerge avaldatud pinge seesuguse aine kokkuvarisemise ning kerge avaldatud surve tõttu see aine plahvataks. On selge, et selline aine ei saa eksisteerida.

Kuid nüüd leidsid Zachary Nicolaou ja Adilson Motter Northwesterni Ülikoolist siinkohal väikese vingerdamisruumi, milles selline aine saaks eksisteerida. Samal ajal kui teadlased tunnustavad aine püsiva negatiivse kokkusurutavuse võimatust, usuvad nad, et peaks olema võimalik toota teatud piirini negatiivse kokkusurutavusega ainet. Selline aine võimaldaks näiteks turvavöödel kokku tõmbuda, kui juhtub autoõnnetus. Selle saavutamiseks tuleks kavandada kahe metastabiilse struktuurilise koostisega aine, kusjuures üks peab olema teisest kompaktsem. Soovitud vastus ilmneks siis, kui aine „hüppaks“ kompaktsemasse seisundisse, kui pinget tõstetakse üle kindla väärtuse. Nendest veidratest tingimustest hoolimata kasutasid uurijad molekulaardünaamika simulatsioone ja tuvastasid, et selliste ainete olemasolu on tõepoolest füüsiliselt mõeldav.

Paralleel liiklusega

Motter on ekspert keerukate süsteemide ja võrgustike füüsika alal. Ta toob siinkohal paralleeli kuulsa paradoksiga liikluse korraldamisel – vahepealse tee eemaldamine võib ummikuid isegi vähendada, sest liiklus jaguneb ühtlasemalt allesjäänud teedel ning liiklusmuster muutub „seeriast“ „paralleelseks“. „See on meie uuritava süsteemiga analoogne,“ selgitas Motter ja jätkas: „Seda aga senikaua, kui ainel on kuni neli koostisosa. Pinge avaldamisel eralduvad sisemised osakesed teineteisest – justkui lõhkudes nendevahelise sideme. Selle tõttu kinnituvad välimised osakesed tugevamalt teineteisega, muutudes põhimõtteliselt seeria-paigutusest paralleelseks. Seega tõmbuks aine kokku.“

Selline on teadlaste teooria, kuid Motter usub, et sellist ainet on ka tegelikkuses võimalik valmistada. „Kõige otsesem lähenemine oleks vedrutaolise käitumisega elementide, näiteks kummi kasutamine,“ väidab ta. „Sõltuvalt väikeste kummitükkide kokkusobitamise viisist on võimalik saada aine, mis käitub just nii, nagu me siin välja oleme pakkunud.“

„Huvitavad rakendused“

Nanoteadlane Ping Sheng Hong Kongi Ülikoolist, kelle uurimustöö grupp on välja arendanud negatiivse kokkusurutavuse omadusega aineid vastusena sinusoidsetele jõududele, väidab järgmist: „Selle töö uudne idee seisneb selles, et teadlased pakuvad välja negatiivse kokkusurutavuse nullsagedusel, see tähendab stabiilsel jõu avaldamisel. Niisugune süsteem võib siiski olla stabiilne, sest see hõlmaks talletatud energiat. Ma oleksin väga huvitatud väljapakutu füüsilise realisatsiooni nägemisest. Sellel võib tõepoolest olla huvitavaid rakendusi.“

Allikas

Teadusartikkel: „Mechanical metamaterials with negative compressibility transitions”