Клей и пружины: как собрать идеальный узор экспресс
Горсть магнитных шариков, если их встряхнуть, слипается в комки. Но добавьте к магнитам пружинки, которые расталкивают шарики на расстоянии, — и комки распадутся на ровные островки. Примерно так ведут себя частицы, о которых идёт речь в новой работе: они притягиваются вблизи, но отталкиваются издалека.
Авторы просчитали на компьютере миллионы вариантов такого «клея с пружинами». Они меняли высоту барьера отталкивания, добавляли волны на липкую ямку и даже делали частицы не круглыми, а с пятнами-липучками. Оказалось, что размером скоплений, их формой и тем, насколько они упорядочены внутри, можно управлять почти независимо. Особенно интересно: если на притяжение наложить лёгкую рябь, частицы внутри скопления застывают, как в кристалле, а сами скопления продолжают плавно скользить — как льдинки в каше.
Ещё авторы смешали два сорта частиц с разными «характерами»: одни липнут сильнее, другие слабее. При правильной настройке внутри одного скопления получается слоёный пирог: один сорт собирается в ядро, другой — в оболочку. А если частицы имеют липкие пятна только с одной стороны, то их форма и количество пятен диктуют, соберутся ли они в цепочки, кольца или мозаику.
Такая работа — как инструкция к конструктору, где вместо деталей — законы взаимодействия. Зная правила, можно заранее рассчитать, какой узор получится. Это пригодится для создания новых материалов с необычными свойствами и для разгадки того, как клетка собирает свои внутренние структуры без чертежей.
В опытах с магнитными шариками и пружинками можно увидеть те же узоры, что и в компьютерных моделях: если подобрать силу магнитов и жёсткость пружинок, шарики сами выстроятся в гексагональную решётку с дырками.
В романе Станислава Лема «Непобедимый» самоорганизующиеся микрочастицы образуют облака, способные к коллективному поведению, — отдалённое эхо тех принципов сборки, что изучаются в этой статье.