Vědci z Harvardu vyvinuli „chytrou“ kapalinu.

Vědci vyvinuli meta-fluid s programovatelnou odezvou.

Vědci z John A. Harvard's Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) vyvinula programovatelnou metafluidní tekutinu s laditelnou elasticitou, optickými vlastnostmi, viskozitou a dokonce schopností přechodu mezi newtonskými a nenewtonskými tekutinami.

První svého druhu metafluorescenční kapalina využívá suspenzi drobných gumových kuliček – mezi 50 a 500 mikrony – které se pod tlakem ohýbají a radikálně mění vlastnosti kapaliny. Metafluidic lze použít ve všem, od hydraulických pohonů po programovatelné roboty, po chytré tlumiče, které dokážou rozptýlit energii v závislosti na síle nárazu, až po optická zařízení, která mohou přejít od čirých k neprůhledným.

Výzkum je publikován v Příroda.

„Jen poškrábáme povrch toho, co je možné s touto novou třídou kapalin,“ řekl Adel Jalouli, výzkumný pracovník v oblasti materiálové vědy a strojního inženýrství v SEAS a první autor článku. „S touto jedinou platformou můžete dělat spoustu různých věcí v mnoha různých oblastech.“

Metafluidy vs pevné látky

Metamateriály – konstruované materiály, jejichž vlastnosti jsou určeny spíše jejich strukturou než složením – jsou již léta široce používány v řadě aplikací. Ale většina materiálů – jako jsou průkopnické kovové minerály v laboratoři Federica Capassa a Roberta L. Wallace, vedoucí výzkumný pracovník v elektrotechnice na Fenton Hayes School of Applied Sciences – jsou pevné látky.

Nastavitelná optika s logem Harvardské univerzity zobrazeným pod metafluorescenční tekutinou. Kredit: Harvard University SEAS

„Na rozdíl od pevných metamateriály„Metaforické tekutiny mají jedinečnou schopnost proudit a přizpůsobovat se tvaru své nádoby,“ řekla Katia Bertoldi, profesorka aplikované mechaniky William a Amy Cowan Danoffovi na College of Applied Sciences a hlavní autorka článku. „Naším cílem bylo vytvořit meta-fluid, který by měl nejen tyto skvělé atributy, ale také poskytoval platformu pro programovatelnou viskozitu, stlačitelnost a optické vlastnosti.“

Pomocí vysoce škálovatelné výrobní technologie vyvinuté v laboratoři Davida A. Weitz, Mallinckrodtův profesor fyziky a aplikované fyziky v SEAS, výzkumný tým vyrobil stovky tisíc těchto vysoce deformovatelných, vzduchem plněných kulových kapslí a suspendoval je v silikonovém oleji. . Když se tlak uvnitř tekutiny zvýší, kapsle se zhroutí a vytvoří polokouli podobnou čočce. Po odstranění tohoto tlaku se kapsle vrátí do svého kulového tvaru.

Vlastnosti a aplikace metafluidů

Tato transformace mění několik vlastností tekutiny, včetně viskozity a opacity. Tyto vlastnosti lze upravit změnou počtu, tloušťky a objemu kapslí v kapalině.

Výzkumníci prokázali programovatelnost tekutiny tím, že naložili metafyzickou tekutinu do hydraulického robotického chapadla a nechali chapadlo zvedat láhev, vejce a bobule. V jednoduchém tradičním hydraulickém systému poháněném vzduchem nebo vodou by robot potřeboval nějaký druh externího senzoru nebo ovládacího prvku, aby mohl upravit své uchopení a zvednout tři předměty, aniž by je rozdrtil.

Ale u metafluidu není potřeba snímání. Samotná tekutina reaguje na různé tlaky a mění svou konformitu, aby přizpůsobila sílu rukojeti tak, aby mohla zvednout těžkou láhev, jemná vejce a malé bobule bez dalšího programování.

„Ukázali jsme, že můžeme použít tuto tekutinu k tomu, abychom poskytli inteligenci jednoduchému robotovi,“ řekl Jalouli.

Tým také demonstroval fluidní logické hradlo, které lze přeprogramovat změnou metafluidiky.

Optické vlastnosti a skupenství kapalin

Metafluid také mění své optické vlastnosti, když je vystaven měnícím se tlakům.

Když jsou tobolky kulaté, rozptylují světlo, čímž se kapalina stává neprůhlednou, stejně jako vzduchové bubliny způsobují, že sycená voda vypadá jako bílá. Ale když je aplikován tlak a kapsle se zhroutí, fungují jako malé čočky, zaostřují světlo a činí kapalinu průhlednou. Tyto optické vlastnosti lze použít pro řadu aplikací, jako jsou elektronické inkousty, které mění barvu na základě tlaku.

Výzkumníci také ukázali, že když jsou kapsle kulovité, metatekutina se chová jako newtonská tekutina, což znamená, že její viskozita se mění pouze v reakci na teplotu. Když se však kapsle zhroutí, suspenze se změní na nenewtonskou kapalinu, což znamená, že se její viskozita změní v reakci na smykovou sílu – čím větší je smyková síla, tím tekutější se stane. Toto je první meta-tekutina, u které byl prokázán přechod mezi newtonskými a nenewtonskými stavy.

Dále se vědci zaměřují na zkoumání akustických a termodynamických vlastností supratekutých látek.

„Aplikační prostor pro tyto škálovatelné, snadno vyrobitelné metafluidy je obrovský,“ řekl Bertoldi.

Reference: „Shell Indentation for Programmable Metafluids“ od Adel Jalouli, Bert van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Goersen a Katja Bertoldi, 3. dubna 2024, Příroda.
doi: 10.1038/s41586-024-07163-z

Úřad technologického rozvoje Harvardské univerzity chránil duševní vlastnictví spojené s tímto výzkumem a zkoumá možnosti komercializace.

Tento výzkum byl částečně podpořen NSF prostřednictvím grantu Centra pro vědu a inženýrství materiálového výzkumu Harvardské univerzity č. DMR-2011754.