Складений аркуш паперу зберігає слід згину. Навіть якщо ви його розправите, ця історія залишиться. Це базовий приклад матеріальної пам’яті. Мікроструктури містять інформацію про те, як їх стискали, розтягували або перемішували.
Це не просто фізичний курйоз. Розуміння того, як формуються такі «сліди», може змінити підхід до створення матеріалів, які реагують на довкілля. Також це може бути фізичною моделлю для нейробіології. Як короткочасна пам’ять витісняє довгострокову? Суспензія частинок в’язкої рідини здається буквальною відповіддю на це питання.
Дослідники з Пенсільванського університету виявили, що у простих суспензіях можуть співіснувати дві конкуруючі пам’яті. Вони борються одна з одною, впливають одна на одну і іноді одна повністю знищує іншу.
Коли пам’яті стикаються
У центрі уваги дослідження знаходяться небраунівські суспензії. Уявіть шоколадний сироп або вологий бетон. Великі частинки плавають у в’язкій рідині. Вони надто важкі для броунівського руху — того тремтіння, викликаного тепловою енергією. Натомість їх рух визначається зовнішніми силами: перемішуванням або струшуванням.
Раніше було показано, що ці суміші зберігають певну інформацію. Перемішування залишає спрямований слід пам’яті. Похитування туди-сюди фіксує амплітуду, тобто силу цього руху. Досі кожну з цих пам’ятей вивчали ізольовано.
Сурендра Падомата, провідний аспірант проекту, висловив це прямо: «Коли ви зберігаєте файл на комп’ютері, нові дані не впливають на інші файли, які там вже є. Але в нейробіології ми знаємо, що довгострокова пам’ять може змінюватись згодом».
Візьмемо книгу, прочитану у підлітковому віці. Тоді вона здається простою. Але якщо прочитати її через десятиліття, коли життя ускладнило ваш погляд на світ, верстви сенсу зміняться. Нові короткочасні переживання переписують інтерпретацію старих даних.
Команда хотіла дізнатися, чи поводиться матерія так само. Чи може матеріал пам’ятати і те, куди його штовхали, і як сильно? І що відбувається, коли спогади конфліктують?
Стирання минулого
Відповідь криється в інтенсивності дії.
В експериментах, результати яких опубліковані в Physical Review Letters (і зазначені як рекомендація редакторів), дослідники спочатку перемішали суспензію. Це зафіксувало спрямований слід. Потім вони почали струшувати суміш із різною інтенсивністю.
Легке похитування дозволяло обом «пам’ятям» вижити. Суспензія пам’ятала початкове перемішування і слабкі коливання.
Але якщо посилити рух? Буквально.
У міру посилення похитування спрямована пам’ять почала згасати. Вона не просто слабшала, вона зникала. При певному порозі новий рух повністю стирав попередній слід, повертаючи суспензію ідеально симетричний, порожній стан.
«За цим порогом саме похитування починає записувати нову спрямовану пам’ять», — зазначив Падомата. Старий слід зникав, новий брав гору.
Чому виникає конкуренція
Чому одна пам’ять стирає іншу? Команда пропонує просте механічне пояснення частота контактів.
При слабкому похитуванні частки стикаються один з одним не так часто, щоб порушити існуючу структуру. Обидві пам’яті зберігаються.
Але сильне похитування змушує частки стикатися часто і жорстоко. Частинки дуже швидко перемішують конфігурацію, щоб стара спрямована історія могла втриматися. Система скидається.
Це обмеження ємності може бути універсальним. Воно проявляється у рідинах. Натан Кейм, доцент і керівник групи, зазначає, що схожі спрямовані та амплітудні «пам’яті» виявляються у м’яких шибках та гранулярних середовищах. Ці матеріали мають зовсім різну мікроскопічну фізику. Проте вони поділяють це обмеження.
Невпорядкована матерія, схоже, має обмежену картотеку. Вона не може сортувати нескінченну кількість вхідних даних, що конкурують.
За межами лабораторії
Наслідки цих відкриттів виходять далеко за межі фізичних журналів.
Кейм припускає, що це висновки можуть моделювати біологічну пам’ять. Або, можливо, геофізику. Уявіть собі гірські породи, які зберігають «пам’ять» про минулі коливання температури або вібрації. Чи можуть ці внутрішні сліди прогнозувати ризик землетрусів? Обвали воронкових карстів?
Якщо каміння пам’ятає, можливо, ми зможемо стерти цю небезпечну пам’ять. Ми можемо знайти спосіб зняти напругу, знизивши геологічний ризик або створивши більш точні прогнозні моделі для районів, схильних до стихійних лих.
Програму Frontier Science of the Human Frontier funding спонсорувала дослідження впертості матерії. Результати суворі. Пам’ять у матерії – це не статичний архів. Це поле битви.
І іноді перемагає найгучніший голос.
