Почему усиление активности микрочастиц может ослаблять материал? Ответ учёных

Активные материалы — от бактериальных роёв до самособирающихся полимеров — считались перспективными именно потому, что их микроскопические компоненты умеют самостоятельно двигаться, потребляя энергию. Но группа физиков из Амстердамского университета во главе с Джеком Байнишем обнаружила неожиданный эффект: когда активность отдельных частей превышает определённый порог, материал перестаёт реагировать как единое целое. Свои результаты они опубликовали в журнале Physical Review X (DOI: 10.1103/flhb-kjyd).

Парадокс нечётной упругости

Одно из самых удивительных свойств активных материалов — так называемая нечётная упругость (odd elasticity). Представьте, что вы сжимаете кусок обычной резины. Он сплющится в направлении сжатия. А теперь вообразите, что он вместо этого отклоняется вбок, под прямым углом к приложенной силе. Именно так ведут себя некоторые активные твёрдые тела. Такая необычная реакция позволяет им ползти по неровным поверхностям или совершать механическую работу в циклах, недоступных для обычных материалов.

Логика подсказывала: чтобы усилить этот эффект в масштабе всего образца, достаточно заставить каждый микроскопический двигатель работать интенсивнее. Но реальность оказалась сложнее.

Роботизированные соты как модель

Байниш и его коллеги построили метаматериал из шестиугольных ячеек, соединённых моторизованными шарнирами. Особенность этих шарниров — невзаимность: если толкнуть одно соединение, соседние приводы реагируют асимметрично, создавая направленный отклик. Исследователи плавно увеличивали мощность моторов и следили за изменением макроскопического поведения — прежде всего за тем, насколько сильно проявляется та самая нечётная упругость.

Результат оказался парадоксальным. До некоторого уровня активность действительно усиливала отклик. Но после прохождения критической точки вся система вела себя так, будто «выключалась»: поперечное отклонение уменьшалось и в конце концов исчезало вовсе. Сработал принцип, который авторы назвали «больше — значит меньше».

Секрет в связности, а не в силе

Чтобы понять механизм, команда объединила эксперименты с компьютерным моделированием и теоретическими расчётами. Ключ нашёлся в теории перколяции — разделе физики, изучающем, как распространяется влияние в сети связанных объектов. Модели показали: нечётная упругость возникает только тогда, когда активные узлы образуют непрерывный кластер, пронизывающий весь материал.

При слишком высокой активности отдельные моторы как бы запираются: они перестают передавать механическое возмущение соседям. Каждый узел продолжает работать, но его вклад остаётся локализованным. Сеть распадается на изолированные островки, и коллективный отклик пропадает.

«Наши результаты говорят о том, что для создания полезных свойств в активных материалах недостаточно просто увеличить активность. Связность структуры важна не меньше, чем мощность отдельных компонентов», — поясняет Джек Байниш.

Как переключать коллективный ответ

Теперь исследователи намерены научиться управлять пространственным расположением активных элементов. Если контролировать не только силу их взаимодействия, но и топологию сети, можно будет переключать материал между двумя режимами:

• режимом сильного коллективного отклика (когда активность распространяется по всей структуре);
• режимом «невидимой» активности (когда каждый компонент работает, но на макроуровне никакого эффекта не заметно).

Такой подход открывает дорогу к созданию программируемых роботизированных материалов — например, мягких манипуляторов, которые могут менять жёсткость или направление движения по команде. Кроме того, он помогает понять механику живых тканей и цитоскелетных сетей, где активные молекулярные моторы тоже работают сообща, и нарушение связности может приводить к патологиям.

Что дальше?

Открытие амстердамской группы заставляет пересмотреть интуитивные представления, которые десятилетиями направляли разработку активных сред. Вместо прямолинейного наращивания «мощности» инженерам теперь придётся думать о том, как именно соединены отдельные части — подобно тому, как в социальных сетях важны не только отдельные пользователи, но и структура их связей. Не окажется ли, что в мире активных материалов ключ к эффективной работе лежит не в энергии каждого элемента, а в архитектуре их взаимодействия? Ответ на этот вопрос пока открыт.