Malzeme biliminde kendinden uyarlanabilir mekanik tepkileri olan materyaller uzun zamandır aranmıştır. Bilgisayar simülasyonlarını kullanarak, Tata Temel Araştırma Enstitüsü (TIFR), Haydarabad, şimdi biyolojik dokular için model olarak yaygın olarak kullanılan aktif gözlüklerde böyle bir uyarlanabilir davranışın nasıl ortaya çıkabileceğini gösteriyor.
Dergide yayınlanan bulgular Doğa fiziğiyeni bilgiler sağlayın – hücrelerin camlıklarını nasıl düzenleyebileceğinden, yeni metamalzemelerin tasarımına yardımcı olmaya kadar.
Gözlükler (veya amorf katılar) bileşenleri belirli bir siparişten yoksun olan malzemelerdir. Bunu, atomların iyi tanımlanmış bir kafes üzerinde tekrarlanan düzgün, tekrarlayan bir kristal ile kontrast oluşturun. Kristaller sipariş edilirken ve neredeyse mükemmel olsa da, amorf malzemeler bozuklukları tarafından tanımlanır.
Bu düzensiz malzemeler, iç enerji rezervlerini kullanabilen ve özerk hareket edebilen bileşenlerden oluştuğunda, aktif camlar olarak bilinen şeyi oluştururlar.
Bu tür sistemler, parçacıkların sıkıca paketlendiği ve kimyasal rezervlere sahip olduğu ortamlarda bol miktarda bulunur – örneğin epitel hücreleri veya bakteriyel koloniler.
Ancak, tüm gözlükler eşit yaratılmaz. Hazırlıklarına bağlı olarak, aynı malzeme geniş değişen mekanik özelliklere sahip camlar oluşturabilir. Bu tarih bağımlılığı, dengesiz sistemlerin ayırt edici özelliğidir – nasıl hazırlandıklarını hatırlıyorlar!
Bir cam hazırlamak için, bir sıvı ile başlayın (neredeyse her sıvı yapacaktır) ve erime noktasını hızla serinletin. Soğutma yeterince hızlıysa, kristalizasyondan kaçınılabilir, bu da aşırı soğutulmuş bir sıvı ile sonuçlanabilir.
Sıcaklık düşmeye devam ettikçe, aşağıda dinamiklerin o kadar dramatik bir şekilde yavaşladığı ampirik olarak tanımlanmış bir sıcaklık vardır, sistemi herhangi bir ayrıntılı olarak izlemek mümkün değildir. Bu ünlü cam geçiş sıcaklığıdır. Bu noktanın altında, sistem etkili bir şekilde tutuklanan bir durumda. Ve Voilà, şu anda sahip olduğun şey bir bardak.
Özellikle ilginç olan şey, dinamikler büyük ölçüde değişmiş olsa da, yapısal olarak sistemin fazla değişmemesidir. Tutuklanan bir devlete bu geçişin nasıl gerçekleştiğine dair net bir anlayış hala eksiktir. Bu arada, bu geçişin doğası bir zamanlar Nobel Laureate PW Anderson tarafından “katı hal teorisinde en derin ve en ilginç çözülmemiş sorun” olarak adlandırıldı ve hala zor kalıyor.
Bu cam geçiş sıcaklığında ne kadar hızlı veya yavaş soğutulduğunuza bağlı olarak, farklı mekanik özelliklere sahip camlar elde edersiniz.
Genel olarak, daha yavaş soğutma, kırılgan olan iyi tekli gözlüklerle sonuçlanır (harici yükleme altında keskin bir çırpıda aniden kırılan sistemler), daha hızlı soğutma, daha sünek olan (nihayetinde kırılmadan önce neckleri uzatan ve oluşturan sistemler) zayıf tavlanmış camlara neden olur.
Bunu görselleştirmenin bir başka yolu, bir enerji manzarası ile, yerel minimayı (vadileri) ayıran engeller (tepeler). Herhangi bir cam konfigürasyonun, bu birçok yerel minimadan birinde sıkışıp kaldığı düşünülebilir ve bariyerler, diğer düşük enerji durumlarını geçmesini ve keşfetmesini önler. Cam oluştururken daha iyi soğutma, sistemi bu manzarada daha derin bir minimuma çıkarır.
Sharma ve Karmakar, zayıf tavlanmış bir camın bazı bileşenlerine ek motilite vermenin, sistemde daha fazla tavlama neden olduğunu ve manzaranın giderek daha düşük bölgelerine götürdüğünü keşfetti. Bu, sistemin potansiyel enerjisinde kademeli bir azalma olarak yansıtılır.
Bir bardaktaki aktivitenin neden olduğu yerel yeniden düzenlemelerin, başlangıçta sünek bir malzemeyi kırılgan bir malzemeye dönüştürecek kadar tavlama yapabileceğini gösterdiler. Özünde, araştırmacılar aktif dinamiklerin enerji manzarasını daha etkili bir şekilde geçmek için bir araç sağlayabileceğini buldular.
Bunun bir sonucu, aktif camlarda gözlenen gelişmiş yaşlanmanın, yaşlanma ve olgunlaşan dokularda görülen mekanik değişikliklerin bazılarını kısmen açıklayabilmesidir.
Böylece, biyolojik dokulardan ilham almak, yaşam döngüsü boyunca kırılganlıklarını düzenlemek için aktif bileşenleri içeren yeni metamalzemeler tasarlanabilir.
Daha da ilginç bir şekilde, çalışma aktif gözlüklerin salınımlı (veya döngüsel) kaymaya maruz kalan gözlüklerde gözlemlenen aynı fenomenlerin çoğunu paylaştığını bulmuştur. Siklik kayma deformasyonunu kısaca göstermek için, sağlam bir kutu aldığını ve tabanını hareket edemeyecek şekilde sabitlediğinizi düşünün.
Şimdi, üstü basılı tutun ve tekrar tekrar yukarı itin ve üst yüze paralel bir şekilde sabit bir yön boyunca çekin. Bu, salınımlı bir kesme deformasyonunun basitleştirilmiş bir karikatürüdür.
Çalışma, pasif amorf katılara uygulanan böyle bir salınımın genliğinin ve sıklığının, aktif kuvvetlerin gücüne ve aktif gözlüklerde kalıcılık sürelerine etkili bir şekilde eşlenebileceğini bulmuştur.
Mekanik tavlama göstermenin yanı sıra, salınımlı kesme altında gözlüklerin bir başka özelliği, tekrarlanan döngülerden sonra deformasyon genliğinin sisteme basılmasıdır. Bu baskı daha sonra sofistike teknikler kullanarak “okuyabilir”.
Dikkat çekici bir şekilde, aktif camlar durumunda, biraz farklı ancak benzer okuma protokolleri kullanılarak benzer bellek etkileri de keşfedildi. Hücrelerin montajlarındaki aktivite genellikle metabolizmaları tarafından kontrol edildiğinden, gözlemlenen bellek etkileri öğrenme ve metabolik ihtiyaçların nasıl bağlandığına dair bilgiler sağlayabilir.
Diğer benzerlikler arasında sistemin sıkışmış bir durumdan akışkanlaştırılmış bir duruma büyük sürüş değerlerinde geçişini içerir. Aktif gözlüklerdeki bu akışkanlaştırma literatürde kapsamlı bir şekilde incelenmiştir ve her ikisi de kütle hücre göçünü içeren yara iyileşmesi ve morfogenezin biyofiziklerini anlamak için çok önemlidir.
Aktif camlar kadar karmaşık sistemlerin esasen salınımlı kesme altında sıradan camlara eşlenebilmesi, araştırmacıların artık biyofiziksel sistemleri incelemek için amorf katıları anlamak için geliştirilen kapsamlı araç kutusunu kullanabileceğini göstermektedir.
Bu çalışma, aktif gözlükler ile döngüsel olarak tahrikli amorf katılar arasında derin bir benzetme ortaya koymakta, bunavallık camları için yeni bir araç olarak iç aktivite oluşturulmaktadır.
Bununla birlikte, bu yöntem takas Monte Carlo gibi adanmış suluiko tavlama tekniklerinin performansına uymak için mücadele etmektedir.
Parçacıkları keyfi mesafeler üzerinde değiştirme gibi yerel olmayan hareketler, takas Monte Carlo’nun aktiviteye bağlı tavlama gibi yerel yöntemler için ulaşılamayan son derece düşük enerjili durumlara ulaşmasına izin verir.
Bu tür yerel yöntemlerin diğer özel tekniklerle daha rekabet edip edemeyeceğini veya camları daha fazla dengelemek için birlikte kullanılabileceğini belirlemek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır. Bu, aktif sistemlerde hafıza ve öğrenme etkilerini keşfetmenin yanı sıra, gelecekteki araştırmalar için umut verici yollar sunar.
