变色材料界定了结的数学和物理

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O.在2019年夏天一个阳光明媚的日子里，麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)教授马蒂亚斯·科勒(Mathias Kolle)带着几位杰出的同事出海航行。他们谈论他们的研究。他们喝了一些饮料。然后，科勒注意到有什么不对劲:他的船上有一艘划艇松了，正在向地平线漂移。当他横冲直撞地穿过水面去取回那艘任性的船时，他意识到自己的错误。在固定划艇时，他一定是把结系错了。“因为打错了一个结，我差点丢了一条船，”机械工程师科勒说。“这太尴尬了。”

撇开旁边，Kolle已经成为结局。在一个纸在科学2020年1月出版，他和他的同事利用了一种新的方式来使纠结的纤维内部的力量来重新审视一个古老的问题：是什么让一些节结比其他人更强大？

科学家们与结具有长期迷恋。超过150年前，Kelvin勋爵与苏格兰学者彼得Guthrie Tait合作 - 建议化学元素可以由不同的结代表。该理论并没有泛滥，但他们吸引了不同结的图表，他们试图对他们进行分类，跳跃开始的现代结理论的发展。在20世纪，通过开发从另一个结区分中的结区数学描述来构建了这种遗产的研究人员。通常这些描述采用拓扑特性：简单，可数特性，不依赖于尺寸或形状，例如结交叉的频率频率。

理论结的数学在理论字符串中绑定了生物学家，调查真正的DNA和蛋白质扭曲和缠结。科学家们还开发了在较大的鳞片上开发了结的理论模型，就像将绳索绑定到杆的挂钩一样。有些人使用钛丝将其模型施加到测试中，以确定需要多少力来拉紧结，或者使用钓鱼线或意大利面条的股线来探索结的部分倾向于破裂。

“我脑海中是一个创造性的艺术，能够开发一个将捕捉这些物业的实验，”Chota Barbara大学的结理论先锋Ken Millett说。但是，这些实验往往具有相同的限制 - 一种使研究人员难以真正了解日常节结如何运作，这是麻省理工学院的Mathematician表示。“问题是你无法在材料内看，”Dunkel说。“很多东西都隐藏在里面。”

科勒和他的游船会同意的。但几年前，他从一个意想不到的来源获得了灵感:墨西哥的一名记者用火柴盒寄给同事的一颗鲜艳的蓝色种子。从一种色彩鲜艳的杂种hogberry上采摘下来，这种果实的颜色来自于细胞在光线弯曲模式下的排列。

Kolle改编了这种光学技巧，可以创造塑料纤维，不仅在白光中闪耀，而且在拉伸或弯曲时改变颜色。由于它们的微观结构变形，纤维变为黄色，绿色和其他色调，揭示了应力和菌株内的。

Dunkel实现了弹力纤维可以揭示隐藏在结中的内容，因此他和该研究的共同作者设定为建造新的模拟。它们不仅在单一绳索中设计的简单结 - 结理论的典型主题 - 而且还弯曲，很少学习结合两个独立的绳索。一旦他们估计了几个弯道内的压力并计算了撤消他们的力量，团队就会撤消他们的模拟，将它们与在有结纤维中出现的色调进行比较。经过一些微调，模型作为它们所描绘的结，精确地测量不同弯曲的相对强度。

“我最喜欢的结是Zeppelin，它有一个很好的对称性，并且是我们发现的最好的一个，”联合作用者和一个麻省理工学院的研究生。由两个环彼此铺设的Zeppelin结，从而使其强度从可计的拓扑特性中获得，说紫罗兰：许多绳索交叉往往彼此相反的方向旋转，就像毛巾一样拧在，并循环相反的方向以产生摩擦。

到目前为止，该研究在数学上证实了在人类实验中产生的时间测试结的优势。但Dunkel的团队希望发现调查结果将在设计新的方法中起作用的作用，循环，扭曲和以其他方式形成缠绕，并为结理论添加新的预测维度。

“本文是一项非常有趣的实验工作和定性理论上的融合，”伊利诺伊大学结合理论，芝加哥伊利诺伊大学合作的拓扑师。然而，他警告说，结的结语越复杂，预测的准确性越少。“结果最适合小缠结，”他说。这项工作也没有比较不同的材料，只关注结拓扑，所以新车型无法预测在粗绳上绑在粗糙的绳索中的结合如何在平滑的马尾辫，rap rap风格的相同结。

尽管如此，这项工作仍然有助于急需的真实数据，以结理论，Millett已经将纸张循环到该领域的其他数学家。他说，“他们拥有这种材料的事实，他们可以用来识别配置中的压力：这是一个新的皱纹。”

科学家转向记者的Devin Powell写了自然那科学那纽约时报， 这华盛顿邮报以及对科学兴趣的许多其他出版物。介绍最好的美国科学写作他的作品涵盖了从量子物理和数学到基因工程和生态学等学科。他住在旧金山。