Viele Materialien speichern Informationen über das, was ihnen in einer Art materiellem Gedächtnis passiert ist, wie Falten auf einem einst zerknitterten Stück Papier. Jetzt hat ein Team von Penn State Physicists aufgedeckt, wie unter bestimmten Bedingungen einige Materialien anscheinend gegen die zugrunde liegende Mathematik verstoßen, um Erinnerungen an die Abfolge früherer Deformationen zu speichern. Nach Angaben der Forscher beschrieben die Methode, die in einem Papier beschrieben wird, das heute (29. Januar) in der Zeitschrift erscheinen Wissenschaft FortschritteKönnte neue Möglichkeiten inspirieren, Informationen in mechanischen Systemen zu speichern, von Kombinationsperren bis hin zu Computer.
Eine Möglichkeit, wie einige Materialien erinnert werden, wird als Return-Point-Speicher bezeichnet, das laut Nathan Keim, Associate Professor für Physik am Penn State Eberly College of Science und Leiter des Forschungsteams, ähnlich wie ein einzelnes Dial-Kombinationsschloss arbeitet. Bei einer Schloss liefert das Drehen des Zifferblatts im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn in einer bestimmten Reihenfolge ein Ergebnis – die Sperröffnung -, die davon abhängt, wie das Zifferblatt bewegt wurde. Ebenso kann sich für Materialien mit dem Rücklaufspeicher zwischen positiven und negativen Verformungen ein Gedächtnis der Sequenz, die Forscher lesen oder löschen können, ein Gedächtnis hinterlassen.
„Der gleiche zugrunde liegende Mechanismus oder die gleiche Mathematik dieser Speicherbildung kann Systeme von der Magnetisierung von Computer -Festplatten bis hin zu Schäden in festem Gestein beschreiben“ in dem die Anordnung von Partikeln zufällig erscheint, aber tatsächlich Details zu vergangenen Deformationen enthält.
Der Rücklaufspeicher beruht auf der Wechsel der Richtung der äußeren Kraft oder „Fahren“, wie z. Materialien sollten jedoch nicht in der Lage sein, Rückspeicher zu bilden, wenn die Kraft nur in einer Richtung auftritt. Zum Beispiel, sagte Keim, könnte eine Brücke leicht sanken, wenn Autos darüber fahren, aber sie krümmt sich nicht nach oben, sobald die Autos weg sind.
„Die mathematischen Theoreme für den Rücklaufspeicher sagen, dass wir keine Sequenz speichern können, wenn wir nur dieses ‚asymmetrische‘ in eine Richtung fahren“, sagte Keim. „Wenn das Kombinationsschloss -Zifferblatt beim Umdrehen gegen den Uhrzeigersinn nicht über Null hinausgehen kann, speichert es nur eine Zahl in der Kombination. Wir haben jedoch einen speziellen Fall gefunden, wenn diese Art von asymmetrischem Fahren tatsächlich eine Sequenz codieren kann.“
Die Forscher führten eine Reihe von Computersimulationen durch, um die Bedingungen zu untersuchen, unter denen eine Sequenz in einem Material codiert werden konnte. Sie manipulierten eine Vielzahl von Faktoren, einschließlich der Größe und Ausrichtung der externen Antriebskraft sowie wie sie erzeugt wird, um zu sehen, wie sie die Gedächtnisbildung und die Länge der codierten Sequenz beeinflussen. Zu diesem Zweck kochten die Forscher die Komponenten des Systems – wie die Partikel in einem festen oder die mikroskopischen Domänen in einem Magneten – in abstrakte Elemente, die als Hysteronen bezeichnet werden.
„Hysteronen sind Elemente eines Systems, das möglicherweise nicht sofort auf externe Bedingungen reagiert und in einem früheren Bundesstaat bleiben kann“ des Papiers. „Wie Teile einer Kombinationsschloss die vorherigen Positionen des Zifferblatts widerspiegeln und nicht dort, wo sich das Zifferblatt befindet. In unserem Modell haben Hysteronen zwei mögliche Zustände und können mit oder gegeneinander arbeiten, und dieses verallgemeinerte Modell macht es für anwendbar so viele Systeme wie möglich. „
Die Hysteronen im Modell interagieren entweder kooperativ, wobei eine Veränderung des einen eine Veränderung des anderen oder auf nicht kooperative „frustrierte“ Weise fördert, bei der eine Veränderung des einen eine Veränderung des anderen entmutigt. Jalowiec erklärte, frustrierte Hysteronen sind der Schlüssel zur Bildung und Wiederherstellung einer Sequenz in einem System mit asymmetrischem Fahren.
„Ein gutes Beispiel für Frustration ist ein biege Strohhalm, der eine Reihe von kleinen Balgs hat, die zusammengebrochen oder geöffnet werden können“, sagte Keim. „Wenn Sie an den Enden des Strohhalms eine winzige Menge ziehen und anhalten, wird einer geöffnet, und es ist offen, dass die anderen dies nicht tun. Die Änderung in einem lindert die Spannung im System.
Die Forscher fanden heraus, dass Systeme mit kooperativen Wechselwirkungen nur eine Sequenz codieren konnten, wenn das Fahren symmetrisch war – mit abwechselnden Anweisungen. Nur ein einziges Paar frustrierter Hysteronen reichte jedoch aus, um eine codierte Sequenz mit asymmetrischem Fahren zu erzeugen, solange andere Bedingungen erfüllt sind.
„Es war schwer fassbar, ein Paar frustrierte Hysteronen in einem echten Material zu finden“, sagte Keim. „Es ist schwer zu beobachten, denn oft ist die Signatur der Frustration, dass etwas nicht passiert. Das Verhalten, das wir gefunden haben Für Frustration und unmittelbarerieerer Materials. Asymmetrische Kombinationsschloss. „
Die Forscher sagen, dass diese Ergebnisse neue Wege zum Speichern, Rückruf und Löschen von Informationen in Materialien und mechanischen Systemen anregen könnten.
„Eine wichtige Eigenschaft dieses Speichers ist, dass sie garantiert sowohl die größte Verformung als auch die jüngste Deformation speichert“, sagte Keim. „Wenn Sie ein System erstellen können, das eine Abfolge von Erinnerungen speichert, können Sie es wie ein Kombinationsschloss verwenden, um eine bestimmte Geschichte zu überprüfen, oder Sie können diagnostische oder forensische Informationen über die Vergangenheit wiederherstellen. Es besteht ein zunehmendes Interesse an mechanischen Systemen, die sich spüren, die sie spüren, ihre spüren, die ihre spüren Umgebungen, Berechnungen durchführen und reagieren oder anpassen, ohne jemals Strom zu verwenden.
Neben Keim und Jalowiec gehören Chloe Lindeman, Doktorandin an der University of Chicago, zum Zeitpunkt der Forschung, heute ein Postdoktorand von Miller an der Johns Hopkins University. Die Finanzierung des US -amerikanischen Energieministeriums, Penn State Schreyer Honors College und Penn State Student Engagement Network, unterstützten diese Arbeit.
