فیزیکدانان فراماده ای را تولید می کنند که می تواند شمارش کند

3 جولای 2023 -توسط دانشگاه لیدن-لنارد کواکرناک اعتبار: دانشگاه لیدن

بلوکی از لاستیک که می تواند تا ده بشمارد و حتی ترتیب فشار آن را به خاطر بسپارد – فیزیکدانان Martin van Hecke و Lennard Kwakernaak دانشگاه لیدن و AMOLF آمستردام در مورد این آخرین فراماده در مجله Physical Review Letters منتشر کرده اند.

“من دوست دارم در چیزهای ساده پیچیدگی پیدا کنم.”

دکترکواکرناک نامزد وارد اتاق می شود، در حالی که قطعه نمایشی در دستانش است: یک تکه لاستیک نرم با 22 پرتو به صورت جفت می گوید: “این شمارنده پرتو ماست. فشارش بده.”

نتیجه غیرمنتظره است. میله ها همه به سمت چپ خم می شوند به جز اولین میله که به سمت راست خم می شود. “اولین میله سپس جفت بعدی را به سمت راست فشار می دهد و هر بار که مواد را فشار می دهید در امتداد یک موقعیت حرکت می کند. به این ترتیب مواد تا ده شمارش می شود.”

بلوک لاستیکی نمونه ای از یک فراماده مکانیکی است: ماده ای که خواص آن نه تنها با ترکیب آن، بلکه با ساختار آن نیز تعیین می شود. گروه ون هکه بررسی می کند که چگونه می توان از مواد ساده برای پردازش اطلاعات استفاده کرد، کمی شبیه به یک کامپیوتر.

نواری که از چپ به راست می‌چرخد را می‌توان با بیت کامپیوتری که صفر یا یک است مقایسه کرد. کواکرناک توضیح می‌دهد: «طراحی ساختار به گونه‌ای که آن‌طور که می‌خواهیم پاسخ دهد، کار آسانی نیست. شمارش ساده‌ترین محاسباتی است که می‌توانیم به آن دست یابیم، بنابراین این یک نقطه شروع منطقی بود.

“هنگام توسعه چنین مطالبی، سعی می کنید قواعد بازی را کشف کنید. شما مجاز به انجام چه کاری هستید؟ قاعده در این مورد در مورد تماس یک بار با همسایگان مستقیم آن است.

او توضیح می دهد که محققان همچنین یک قدم فراتر از شمارش رفتند. “در طول مسیر، متوجه شدم که  می توان با فشار دادن با سطوح مختلف نیرو، واکنش های مختلفی را در لاستیک ایجاد نمود. با آزمایش این کار، توانستم یک متامتریال بسازم که فقط در صورتی که روی آن فشار بیاورید تا انتها حساب می شود. نظم درست، با مقدار نیروی مناسب. به عبارت دیگر نوعی قفل».

شمارش فراماده اعتبار: AMOLF

راه حل های ساده برای انواع مشکلات

یکی از کاربردهای احتمالی، شمارش اتومبیل هایی با کلاس های وزنی مختلف است که از روی یک پل می رانند. یا مثلاً گام شمار، زیرا می توانید متامتریال را به اندازه دلخواه بزرگ یا کوچک کنید. کواکرناک می‌گوید: «مزیت بزرگ این است که چنین فرامواد مکانیکی ارزان، قوی و کم تعمیر هستند.

“این آنها را برای انواع کاربردها جالب می کند. نمی توان گفت دقیقاً چه چیزی خواهد بود، اما ما همیشه هدفی برای مواد جدیدی مانند این پیدا می کنیم. به عنوان مثال، تحقیقات قبلی در مورد ماده ای که مانند اوریگامی تا می شود، الهام بخش تا شدن خورشید بود. پانل های روی یک ماهواره.”

خود کواکرناک به خصوص از دیدن اینکه چگونه چیزهای به ظاهر ساده می توانند بسیار پیچیده باشند لذت می برد. “چگونه چنین پرتو نازکی دقیقاً خم می شود بسیار پیچیده تر از آن است که فکر می کنید. یک کامپیوتر حتی به سختی می تواند آن را شبیه سازی کند.” او می خندد، “گاهی اوقات تقریباً احساس می شود که من یک سرگرمی حرفه ای هستم.”

گام بعدی کواکرناک ارائه ساختاری حتی پیچیده تر است که در آن تعامل بین همسایگان نه فقط در یک جهت، بلکه در یک هواپیما وجود دارد. او می گوید: «این در واقع یک کامپیوتر ساده خواهد بود.