С давних времен известно, что материалы могут «помнить» свою историю, подобно морщинам на смятой бумаге. Но недавнее открытие ставит под сомнение устоявшиеся представления о том, как именно эта память работает. Исследование, проведенное в Penn State Eberly College of Science под руководством профессора физики Натана Кейма, показало, что некоторые материалы способны запоминать последовательность воздействий, даже если эти воздействия идут в одном направлении, что ранее считалось невозможным.
Традиционно, для того чтобы материал сохранил в памяти последовательность деформаций, требовалось чередование положительных и отрицательных воздействий – так называемое «симметричное управление». Это аналогично принципу работы кодового замка, где правильная комбинация достигается чередованием поворотов в разные стороны. Математические модели, описывающие такие системы, казалось, не оставляли места для исключений. Такие модели применяются для описания множества явлений, от записи данных на жестких дисках до повреждения горных пород и деформации неупорядоченных твердых тел.
Однако, новое исследование показало, что при определенных условиях материалы способны запоминать последовательность, даже если внешняя сила прилагается только в одном направлении – это асимметричное воздействие. Это противоречит ранее установленным математическим закономерностям. Для изучения этого явления исследователи использовали компьютерное моделирование. Они меняли величину и направление внешнего воздействия, вводя в модель абстрактные элементы, названные гистеронами.
Гистероны – это элементы, которые могут находиться в одном из двух состояний и не сразу реагируют на внешнее воздействие, сохраняя свое предыдущее состояние некоторое время. Эти гистероны могут взаимодействовать друг с другом либо кооперироваться, либо вступать в состояние «фрустрации». Именно фрустрированные гистероны оказались ключом к пониманию возможности хранения последовательностей при асимметричном воздействии. Подобное состояние фрустрации можно представить с помощью сгибающейся трубочки с гофрированной вставкой. Если одну секцию трубочки разогнуть, то это помешает разогнуться другим секциям, создавая «блокировку».
В результате моделирования ученые установили, что системы с кооперативным взаимодействием гистеронов способны сохранять последовательности воздействий только при симметричном управлении. В то же время, для хранения последовательности при асимметричном воздействии достаточно всего одной пары фрустрированных гистеронов. Это открытие открывает новые перспективы для поиска и изучения фрустрированных гистеронов, которые обычно сложно наблюдать.
Результаты этого исследования, опубликованные в журнале Science Advances, позволяют по-новому взглянуть на возможности материальной памяти и предполагают потенциал для создания искусственных систем, способных запоминать последовательности воздействий даже в сложных условиях. Этот принцип хранения информации может быть использован в новых типах устройств хранения информации и механических вычислительных систем, работающих без электричества.
Представьте себе механические кодовые замки, способные открываться только в определенной последовательности действий, или диагностические устройства, сохраняющие в памяти историю своих повреждений. Кроме того, такие системы могли бы быть использованы в судебно-медицинской экспертизе для восстановления последовательности событий. Система, основанная на фрустрированных гистеронах, гарантированно запоминает максимальную и последнюю деформации.
В создании этого исследования участвовали Натан Кейм, руководитель исследовательской группы, и Трэвис Яловец, студент, получивший степень бакалавра физики в Penn State и являющийся одним из авторов статьи. Это открытие, хотя и является редким явлением, открывает новые перспективы для использования памяти материалов. Оно показывает, как фундаментальные исследования могут привести к созданию совершенно новых технологий.
Изображение носит иллюстративный характер
Традиционно, для того чтобы материал сохранил в памяти последовательность деформаций, требовалось чередование положительных и отрицательных воздействий – так называемое «симметричное управление». Это аналогично принципу работы кодового замка, где правильная комбинация достигается чередованием поворотов в разные стороны. Математические модели, описывающие такие системы, казалось, не оставляли места для исключений. Такие модели применяются для описания множества явлений, от записи данных на жестких дисках до повреждения горных пород и деформации неупорядоченных твердых тел.
Однако, новое исследование показало, что при определенных условиях материалы способны запоминать последовательность, даже если внешняя сила прилагается только в одном направлении – это асимметричное воздействие. Это противоречит ранее установленным математическим закономерностям. Для изучения этого явления исследователи использовали компьютерное моделирование. Они меняли величину и направление внешнего воздействия, вводя в модель абстрактные элементы, названные гистеронами.
Гистероны – это элементы, которые могут находиться в одном из двух состояний и не сразу реагируют на внешнее воздействие, сохраняя свое предыдущее состояние некоторое время. Эти гистероны могут взаимодействовать друг с другом либо кооперироваться, либо вступать в состояние «фрустрации». Именно фрустрированные гистероны оказались ключом к пониманию возможности хранения последовательностей при асимметричном воздействии. Подобное состояние фрустрации можно представить с помощью сгибающейся трубочки с гофрированной вставкой. Если одну секцию трубочки разогнуть, то это помешает разогнуться другим секциям, создавая «блокировку».
В результате моделирования ученые установили, что системы с кооперативным взаимодействием гистеронов способны сохранять последовательности воздействий только при симметричном управлении. В то же время, для хранения последовательности при асимметричном воздействии достаточно всего одной пары фрустрированных гистеронов. Это открытие открывает новые перспективы для поиска и изучения фрустрированных гистеронов, которые обычно сложно наблюдать.
Результаты этого исследования, опубликованные в журнале Science Advances, позволяют по-новому взглянуть на возможности материальной памяти и предполагают потенциал для создания искусственных систем, способных запоминать последовательности воздействий даже в сложных условиях. Этот принцип хранения информации может быть использован в новых типах устройств хранения информации и механических вычислительных систем, работающих без электричества.
Представьте себе механические кодовые замки, способные открываться только в определенной последовательности действий, или диагностические устройства, сохраняющие в памяти историю своих повреждений. Кроме того, такие системы могли бы быть использованы в судебно-медицинской экспертизе для восстановления последовательности событий. Система, основанная на фрустрированных гистеронах, гарантированно запоминает максимальную и последнюю деформации.
В создании этого исследования участвовали Натан Кейм, руководитель исследовательской группы, и Трэвис Яловец, студент, получивший степень бакалавра физики в Penn State и являющийся одним из авторов статьи. Это открытие, хотя и является редким явлением, открывает новые перспективы для использования памяти материалов. Оно показывает, как фундаментальные исследования могут привести к созданию совершенно новых технологий.
