Ученые раскрыли «скрытые правила», определяющие, как ткани держатся вместе

Фото из открытых источников

Группа исследователей из Японии использует математику для изучения свойств расположения и переплетения нитей в тканях, чтобы выяснить, как можно адаптировать специфические характеристики материала путем изменения этого расположения. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Physical Review X.

«В теории узлов, математическом исследовании запутанных кривых, топология узла описывает расположение пересечений, которые невозможно распутать, не разрезав кривые», — пишут авторы в своей статье. «Изготовление текстильного изделия включает в себя переплетение нитей в определенный узор, фактически образуя большой узел».

Для проверки этой гипотезы команда создала 2D-модели нитей, из которых были сшиты ткани с различными повторяющимися сетчатыми узорами из взаимосвязанных петель. Затем они протестировали, что произойдет, если внести в узор «дефект», и проанализировали, как этот дефект распространяется по ткани.

«Эти дефекты проявляются в виде нарушений повторяющихся узоров стежков и распространяются по структуре различными способами», — говорится в заявлении Дайсуке С. Шимамото из Научно-технической организации Университета Рицумейкан, Япония.

Чтобы проверить, можно ли затем связать полученный текстиль, команда сложила цифровую ткань в форму, называемую «тором», которая по сути представляет собой пончик. Затем они смогли увидеть, приводит ли дефект к тому, что получившийся материал распускается и распадается.

Благодаря этому им удалось выделить ткани с петлевым плетением, такие как вязаные и связанные крючком, как «пригодные для вязания» ткани, в отличие от других материалов, в которых дефект приводит к распусканию нитей. Это позволит исследователям проектировать и создавать более качественные ткани, которые с меньшей вероятностью развалятся при возникновении дефекта.

«Описанный в нашей модели процесс распространения дефектов может помочь в разработке новых вязаных материалов с необычными механическими свойствами и улучшить наше понимание других систем, формируемых топологией», — говорит Шимамото.

Однако эта работа может иметь значение далеко за пределами области материалов и тканей.

Большая часть окружающего нас мира состоит из отдельных цепочек материи, будь то пластмассы, изготовленные из полимеров, или белки, состоящие из цепочек аминокислот. Эти материалы сворачиваются по-своему, образуя разнообразие окружающих нас веществ и ткани, из которых состоит наше тело.

Понимание того, как эти цепочки взаимодействуют, будучи соединенными вместе, может открыть новые способы восприятия этих объектов.

«Наше исследование связывает традиционные текстильные ремесла с современной математикой и физикой, — объясняет Шимамото. — Оно может помочь в разработке более прочных тканей без изменения самого материала, просто путем модификации схемы переплетения. Поскольку запутанные связи встречаются во многих системах, помимо текстиля, включая полимеры, биологические ткани и мягкую робототехнику, это также может вдохновить на новые подходы к проектированию и пониманию сложных материалов».