Zrozumienie, w jaki sposób węzły wpływają na właściwości tekstyliów, może doprowadzić do powstania materiałów dostosowanych do potrzeb klienta.
Fizyk Elisabetta Matsumoto jest zapaloną pasjonatką robienia na drutach, a hobby to uprawiała już w dzieciństwie. Podczas studiów na Uniwersytecie Pensylwanii w 2009 roku, Matsumoto natknęła się na nietypowy ścieg węzełkowy podczas robienia na drutach wzoru japońskiego czerwonego smoka. „Mam książki z tysiącami różnych wzorów ściegów, ale tego na czerwonego smoka nigdy nie widziałam” – mówi. To skłoniło ją do zastanowienia się nad geometrią ściegów i w końcu doprowadziło ją do studiowania matematyki dziewiarskiej.
Jest około stu podstawowych szwów, mówi Matsumoto. Zmieniając kombinacje ściegów, tkacz może zmienić elastyczność, wytrzymałość mechaniczną i trójwymiarową strukturę powstałej tkaniny. Sama przędza nie jest zbyt elastyczna. Ale gdy jest robiona na drutach, przędza daje materiał, który może rozciągać się o ponad dwukrotnie większą długość, podczas gdy sama przędza ledwo się rozciąga.
Matsumoto, obecnie pracujący w Georgia Institute of Technology w Atlancie, wyjaśnia matematyczne zasady, które dyktują, w jaki sposób ściegi nadają tkaninom tak wyjątkowe właściwości. Ma nadzieję na opracowanie katalogu rodzajów ściegów, ich kombinacji i wynikających z tego właściwości tkanin. Mówi, że dziewiarki, naukowcy i producenci mogliby skorzystać z takiego słownika.
Badania Matsumoto opierają się na teorii węzłów, zbiorze zasad matematycznych, które definiują sposób formowania się węzłów. Zasady te pomogły wyjaśnić, w jaki sposób DNA fałduje się i rozwija oraz jak skład i rozmieszczenie cząsteczki w przestrzeni nadaje mu właściwości fizyczne i chemiczne. Matsumoto wykorzystuje tę teorię, aby zrozumieć, w jaki sposób każdy ścieg łączy się ze swoimi sąsiadami. „Rodzaje ściegów, różnice w ich geometrii, a także kolejność łączenia tych szwów w tkaninę mogą decydować o właściwościach materiału” – mówi.
Dokonywanie drobnych zmian, takich jak zmiana kilku skrzyżowań w supeł, może mieć ogromny wpływ na mechanikę tkaniny. Na przykład tkanina wykonana tylko z jednego rodzaju ściegu, takiego jak dzianina lub bełt, ma tendencję do zawijania się na brzegach. Ale łącząc te dwa rodzaje ściegów razem w naprzemiennych rzędach lub kolumnach tkanina leży płasko. I pomimo tego, że wyglądają prawie identycznie, tkaniny mają różne stopnie rozciągliwości, jak informowali Matsumoto i doktorant Shashank Markande w lipcu w materiałach konferencyjnych Bridges 2020.
Zespół Matsumoto trenuje teraz komputer, aby myślał jak tkacz. Wykorzystując właściwości przędzy, szczegóły ściegów matematycznych i końcowe struktury dziane jako dane wejściowe, program może przewidywać właściwości mechaniczne tkanin. Te prognozy mogą kiedyś pomóc w dostosowaniu materiałów do konkretnych zastosowań — od rusztowań do uprawy ludzkiej tkanki po inteligentne ubrania do noszenia — i być może rozwiązać zawiłe problemy życia codziennego.
