Naukowcy z Harvardu opracowali „inteligentny” płyn.

Naukowcy opracowali metapłyn o programowalnej reakcji.

Naukowcy z Johna A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) na Harvardzie opracowała programowalny płyn metafluidyczny o regulowanej elastyczności, właściwościach optycznych, lepkości, a nawet zdolności do przejścia między płynami newtonowskimi i nienewtonowskimi.

Pierwsza w swoim rodzaju ciecz metafluorescencyjna wykorzystuje zawiesinę maleńkich gumowych kulek – o średnicy od 50 do 500 mikronów – które uginają się pod ciśnieniem, radykalnie zmieniając właściwości cieczy. Metafluidic można stosować we wszystkim, od siłowników hydraulicznych po programowalne roboty, po inteligentne amortyzatory, które mogą rozpraszać energię w zależności od siły uderzenia, po urządzenia optyczne, które mogą zmieniać kolor z przezroczystego na nieprzezroczysty.

Badanie zostało opublikowane w Natura.

„To tylko zarys tego, co jest możliwe w przypadku tej nowej klasy płynów” – powiedział Adel Jalouli, pracownik naukowy w dziedzinie inżynierii materiałowej i inżynierii mechanicznej w SEAS i pierwszy autor artykułu. „Dzięki tej jednej platformie możesz robić wiele różnych rzeczy w wielu różnych obszarach”.

Metapłyny kontra ciała stałe

Metamateriały – materiały inżynieryjne, których właściwości zależą raczej od ich struktury niż składu – od lat są szeroko stosowane w szeregu zastosowań. Jednak większość materiałów — takich jak pionierskie minerały metaliczne w laboratorium Federico Capasso i Roberta L. Wallace, starszy pracownik naukowy w dziedzinie elektrotechniki w Szkole Nauk Stosowanych Fenton Hayes – to ciała stałe.

Regulowana optyka z logo Uniwersytetu Harvarda umieszczonym pod płynem metafluorescencyjnym. Źródło: Uniwersytet Harvarda SEAS

„W przeciwieństwie do ciała stałego metamateriały„Płyny metaforyczne mają wyjątkową zdolność przepływu i dopasowywania się do kształtu pojemnika” – powiedziała Katia Bertoldi, profesor mechaniki stosowanej w Szkole Nauk Stosowanych Uniwersytetu SEAS i główna autorka artykułu. „Naszym celem było stworzenie metapłynu, który nie tylko miałby te wspaniałe cechy, ale także zapewnił platformę dla programowalnej lepkości, ściśliwości i właściwości optycznych”.

Wykorzystując wysoce skalowalną technologię produkcyjną opracowaną w laboratorium Davida A. Weitza, profesora fizyki i fizyki stosowanej w SEAS w Mallinckrodt, zespół badawczy wyprodukował setki tysięcy tych wysoce odkształcalnych, wypełnionych powietrzem kulistych kapsułek i zawiesił je w oleju silikonowym. . Gdy ciśnienie wewnątrz płynu wzrasta, kapsułki zapadają się, tworząc półkulę przypominającą soczewkę. Po usunięciu tego ciśnienia kapsułki powracają do swojego kulistego kształtu.

Właściwości i zastosowania metafluidu

Ta transformacja zmienia kilka właściwości płynu, w tym lepkość i nieprzezroczystość. Właściwości te można regulować zmieniając liczbę, grubość i objętość kapsułek w płynie.

Naukowcy wykazali programowalność płynu, ładując metafizyczny płyn do hydraulicznego chwytaka robota i pozwalając chwytakowi podnieść butelkę, jajko i jagodę. W prostym, tradycyjnym układzie hydraulicznym zasilanym powietrzem lub wodą robot potrzebowałby jakiegoś zewnętrznego czujnika lub elementu sterującego, aby móc dostosować swój chwyt i podnieść trzy przedmioty bez ich zgniatania.

Ale w przypadku metacieczy nie ma potrzeby wykrywania. Sam płyn reaguje na różne ciśnienia, zmieniając swoją zgodność, aby dostosować siłę rączki, tak aby mógł podnieść ciężką butelkę, delikatne jajko i małą jagodę, bez dodatkowego programowania.

„Pokazaliśmy, że możemy wykorzystać ten płyn do zapewnienia inteligencji prostemu robotowi” – ​​powiedział Jalouli.

Zespół zademonstrował także płynną bramkę logiczną, którą można przeprogramować poprzez zmianę metafluidyki.

Właściwości optyczne i stany cieczy

Metafluid zmienia również swoje właściwości optyczne pod wpływem zmiennych ciśnień.

Kiedy kapsułki są okrągłe, rozpraszają światło, sprawiając, że płyn jest nieprzezroczysty, podobnie jak pęcherzyki powietrza sprawiają, że woda gazowana wydaje się biała. Jednak po zastosowaniu nacisku i kapsułki zapadną się, zachowują się jak maleńkie soczewki, skupiając światło i nadając cieczy przezroczystość. Te właściwości optyczne można wykorzystać w szeregu zastosowań, takich jak tusze elektroniczne zmieniające kolor pod wpływem nacisku.

Naukowcy wykazali również, że gdy kapsułki są kuliste, metaciecz zachowuje się jak płyn Newtona, co oznacza, że ​​jego lepkość zmienia się jedynie w zależności od temperatury. Jednakże, gdy kapsułki zapadną się, zawiesina zamienia się w płyn nienewtonowski, co oznacza, że ​​jej lepkość będzie się zmieniać w odpowiedzi na siłę ścinającą – im większa siła ścinająca, tym bardziej staje się płynna. Jest to pierwszy metapłyn, w przypadku którego wykazano przejście między stanami newtonowskimi i nienewtonowskimi.

Następnie badacze zamierzają zbadać właściwości akustyczne i termodynamiczne płynów nadciekłych.

„Przestrzeń zastosowań tych skalowalnych i łatwych w produkcji metapłynów jest ogromna” – powiedział Bertoldi.

Odniesienie: „Shell Indentation for Programmable Metafluids” autorstwa Adela Jalouli, Berta van Raemdoncka, Yang Wanga, Yi Yang, Anthony'ego Caillauda, ​​Davida Weitza, Shmuela Rubinsteina, Benjamina Goersena i Katji Bertoldi, 3 kwietnia 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07163-z

Biuro Rozwoju Technologii Uniwersytetu Harvarda chroni własność intelektualną związaną z tymi badaniami i bada możliwości komercjalizacji.

Badania te były częściowo wspierane przez NSF w ramach grantu Centrum Nauki i Inżynierii Materiałów Uniwersytetu Harvarda nr DMR-2011754.