Los materiales pueden recordar una secuencia de eventos de manera inesperada

Muchos materiales almacenan información sobre lo que les ha sucedido en una especie de memoria de material, como arrugas en un papel arrugado. Ahora, un equipo dirigido por físicos de Penn State ha descubierto cómo, en condiciones específicas, algunos materiales aparentemente violan las matemáticas subyacentes para almacenar recuerdos sobre la secuencia de deformaciones anteriores.

Según los investigadores, el método, descrito en un artículo que aparece en Avances científicospodría inspirar nuevas formas de almacenar información en sistemas mecánicos, desde cerraduras combinadas hasta computación.

Una forma en que algunos materiales forman recuerdos se denominan memoria de punto de retorno, que opera de manera muy similar a un bloqueo de combinación de dial único, según Nathan Keim, profesor asociado de física en la Facultad de Ciencia Eberly de Penn State y líder del equipo de investigación.

Con un bloqueo, girando el dial en sentido horario y en sentido antihorario en una secuencia particular produce un resultado, la abertura de la cerradura, que depende de cómo se moviera el dial. Del mismo modo, para los materiales con memoria de punto de retorno, alternarse entre deformaciones positivas y negativas puede dejar una memoria de la secuencia que los investigadores pueden leer o borrar.

«El mismo mecanismo subyacente o matemáticas de esta formación de memoria puede describir los sistemas desde la magnetización de los discos duros de la computadora hasta dañar en roca sólida», dijo Keim, y señaló que su grupo de investigación recientemente demostró que las mismas matemáticas también describen recuerdos almacenados en sólidos desordenados, en el que la disposición de las partículas parece aleatoria pero en realidad contiene detalles sobre deformaciones pasadas.

La memoria del punto de retorno se basa en la alternancia de la dirección de la fuerza externa, o «conducir», como la alternancia de un campo magnético positivo o negativo o tirar de un material de un lado y luego el otro. Sin embargo, los materiales no deben poder formar memoria de punto de retorno cuando la fuerza solo ocurre en una dirección. Por ejemplo, dijo Keim, un puente podría hundirse ligeramente mientras los autos conducen sobre él, pero no se curve hacia arriba una vez que los autos se han ido.

«Los teoremas matemáticos para la memoria del punto de retorno dicen que no podemos almacenar una secuencia si solo tenemos esta conducción ‘asimétrica’ en una dirección», dijo Keim. «Si el dial de bloqueo de combinación no puede pasar cero al girar en sentido antihorario, solo almacena un número en la combinación. Pero encontramos un caso especial cuando este tipo de conducción asimétrica puede, de hecho, codificar una secuencia».

Los investigadores realizaron una serie de simulaciones por computadora para explorar las condiciones bajo las cuales una secuencia podría codificarse en un material. Manipularon una variedad de factores, incluida la magnitud y orientación de la fuerza impulsora externa, así como cómo se genera, para ver cómo impactan la formación de la memoria y la longitud de la secuencia codificada. Para hacerlo, los investigadores hirvieron los componentes del sistema, como las partículas en un dominio sólido o microscópico en un imán, en elementos abstractos llamados hysterons.

«Hysterons son elementos de un sistema que puede no responder de inmediato a las condiciones externas y puede permanecer en un estado pasado», dijo Travis Jalowiec, un estudiante universitario en el momento de la investigación que obtuvo su licenciatura en física en Penn State y autor del papel. «Al igual que las partes de un bloqueo de combinación reflejan las posiciones anteriores del dial, y no dónde está el dial ahora. En nuestro modelo, los hysterons tienen dos estados posibles y pueden trabajar entre sí, y este modelo generalizado lo hace aplicable a tantos sistemas como sea posible «.

Los Hysterons en el modelo interactúan de manera cooperativa, donde un cambio en uno fomenta un cambio en el otro, o de una manera «frustrada» no cooperativa, donde un cambio en uno desalienta un cambio en el otro. Explicó que Hysterons frustrados es la clave para formar y recuperar una secuencia en un sistema con conducción asimétrica.

«Un buen ejemplo de frustración es una paja flexible, que tiene una serie de pequeños fuelles que se pueden colapsar o abrir», dijo Keim. «Si tira de los extremos de la pajita una pequeña cantidad y se detiene, uno abrirá, y estar abierto significa que los demás no. El cambio en uno alivia el estrés en el sistema.

Los investigadores encontraron que los sistemas con interacciones cooperativas solo podían codificar una secuencia si la conducción era simétrica, con direcciones alternativas. Sin embargo, solo un par de histerons frustrados fue suficiente para producir una secuencia codificada con conducción asimétrica, siempre que se cumplan otras condiciones.

«Encontrar un par de histerons frustrados en un material real ha sido difícil de alcanzar», dijo Keim. «Es difícil observar, porque a menudo la firma de la frustración es que algo no sucede. El comportamiento que encontramos es raro, pero se destacará como un pulgar dolorido en un material real, por lo que nos da una nueva forma de mirar para y estudiar materiales con frustración.

«Pero más inmediatamente, creemos que esta es una forma de diseñar sistemas artificiales con este tipo especial de memoria, comenzando con los sistemas mecánicos más simples no mucho más complicados que una paja flexible y, con suerte, trabajar hasta algo así como un bloqueo de combinación asimétrica».

Los investigadores dicen que estos resultados podrían inspirar nuevas formas de almacenar, retirar y borrar información en materiales y sistemas mecánicos.

«Una propiedad clave de esta memoria es que está garantizado para almacenar tanto la mayor deformación como la deformación más reciente», dijo Keim. «Si puede hacer un sistema que almacene una secuencia de recuerdos, puede usarlo como un bloqueo de combinación para verificar un historial específico, o puede recuperar información de diagnóstico o forense sobre el pasado. Hay un interés creciente en los sistemas mecánicos que sienten su entornos, realizar cálculos y responder o adaptarse sin usar electricidad.