Исследователи из Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) в Хайдарабаде с помощью компьютерного моделирования показали, как это работает в активных стеклах — материалах, которые часто используют для моделирования биологических тканей. Открытие помогает понять, как клетки регулируют свою жесткость, и подсказывает, как создавать новые метаматериалы с необычными свойствами.

Результаты опубликованы в издании Nature Physics.

Стекло — это аморфное твердое тело, в котором нет четкой структуры, в отличие от кристаллов с их упорядоченной решеткой. Если добавить в такую систему частицы, способные двигаться самостоятельно за счет внутренней энергии, получится активное стекло. Такие системы встречаются в природе: например, эпителиальные клетки или колонии бактерий ведут себя похожим образом.

Но не все стекла одинаковы. Их свойства зависят от того, как именно материал охлаждали. Если расплав быстро остудить ниже температуры стеклования, он не успеет кристаллизоваться и превратится в хрупкое стекло. Если охлаждать медленно, получится более пластичный, «вязкий» материал. Это связано с тем, что в энергетическом ландшафте системы (представьте холмы и долины) быстрое охлаждение оставляет частицы на высоких уровнях, а медленное позволяет им спуститься в более глубокие минимумы.

Шарма и Кармакар обнаружили, что если добавить активность в плохо отожженное (быстро охлажденное) стекло, оно начнет самоупорядочиваться и станет хрупким. Движущиеся частицы помогают системе преодолевать энергетические барьеры и находить более стабильные состояния. Это похоже на то, как биологические ткани меняют свои свойства со временем — возможно, активные стекла помогут понять, как клетки регулируют свою жесткость при старении.

Еще интереснее то, что активные стекла ведут себя так же, как обычные стекла под циклической нагрузкой. Если брать пассивный материал и периодически сдвигать его в одном направлении, он запоминает амплитуду деформации. Активные стекла демонстрируют похожий эффект, только вместо внешней силы работает внутренняя активность частиц. Это наводит на мысль, что метаболизм клеток может быть связан с их способностью «запоминать» механические воздействия.

Такое сходство означает, что методы, разработанные для изучения аморфных материалов, можно применять и в биологии. Например, моделировать процессы заживления ран или морфогенеза, где клетки массово перемещаются. Правда, активные стекла пока не могут конкурировать с продвинутыми алгоритмами вроде метода Swap Monte Carlo, который искусственно перемешивает частицы, чтобы достичь самых низких энергетических состояний. Но, возможно, комбинация разных подходов позволит продвинуться дальше.

Этот прорыв дает сразу несколько преимуществ:

• Понимание биологических процессов — можно смоделировать, как клетки регулируют жесткость тканей, что важно для регенеративной медицины.
• Создание умных материалов — например, покрытий, которые адаптируются к нагрузкам или меняют свойства в зависимости от температуры.
• Новые подходы в вычислениях — активные системы могут стать основой для нестандартных вычислительных моделей, вдохновленных биологией.

Главный недостаток — пока активные стекла уступают традиционным методам вроде Swap Monte Carlo. Локальные перестройки не позволяют достичь самых глубоких энергетических минимумов. Возможно, нужно комбинировать активность с другими методами, но это усложнит моделирование.

Ранее ученые сообщили о создании меняющего форму метаматериала.