Naukowcy z Harvardu opracowali „inteligentny” płyn

Naukowcy opracowali metapłyn o programowalnej reakcji.

Naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) opracowali programowalny metaciecz o regulowanej sprężystości, właściwościach optycznych, lepkości, a nawet zdolności do przejścia między płynem newtonowskim i nienewtonowskim.

Pierwszy tego rodzaju metafluid wykorzystuje zawiesinę małych kulek elastomeru – od 50 do 500 mikrometrów – które uginają się pod ciśnieniem i radykalnie zmieniają właściwości płynu. Metapłyn można wykorzystać we wszystkim, od siłowników hydraulicznych po roboty programujące, inteligentne amortyzatory, które mogą rozpraszać energię w zależności od intensywności uderzenia, po urządzenia optyczne, które mogą przełączać się z przezroczystego na nieprzezroczysty.

Badanie zostało opublikowane w Natura.

„Dopiero zarysowujemy możliwości tej nowej klasy płynów” – powiedział Adel Djellouli, pracownik naukowy w dziedzinie inżynierii materiałowej i inżynierii mechanicznej w SEAS oraz główny autor artykułu. „Dzięki tej jednej platformie można robić wiele różnych rzeczy w tak wielu różnych obszarach”.

Metapłyny a metamateriały stałe

Metamateriały – materiały wytworzone przez człowieka, których właściwości określa raczej ich struktura niż skład – od lat znajdują zastosowanie w licznych zastosowaniach. Jednak większość materiałów – jak rodzaje metali opracowane w laboratorium Federico Capasso, Roberta L. Wallace’a, profesora fizyki stosowanej i Vintona Hayesa, starszego pracownika badawczego w dziedzinie inżynierii elektrycznej w SEAS – jest solidna.

Przestrajalna optyka z logo Harvardu pod metafluidem. Źródło zdjęcia: Harvard SEAS

„W przeciwieństwie do solidności Metamateriały„Metapłyny mają wyjątkową zdolność płynięcia i dopasowywania się do kształtu pojemnika” – stwierdziły Katia Bertoldi, William i Ami Kuan Danoff, profesorowie mechaniki stosowanej w SEAS i starszy autor artykułu. „Naszym celem było stworzenie metacieczy, który nie tylko będzie posiadał te niezwykłe właściwości, ale także zapewni platformę dla programowalnej lepkości, ściśliwości i właściwości optycznych”.

Wykorzystując wysoce skalowalną technikę produkcji opracowaną w laboratorium Davida A. Weitza, profesora fizyki i fizyki stosowanej Mallinckrodta w SEAS, zespół badawczy wyprodukował setki tysięcy tych wysoce odkształcalnych, wypełnionych powietrzem kulistych kapsułek i zawiesił je w oleju silikonowym. Wraz ze wzrostem ciśnienia w cieczy kapsułki zapadają się i tworzą półkulę przypominającą soczewkę. Po usunięciu tego ciśnienia kapsułki powracają do swojego kulistego kształtu.

Właściwości i zastosowania metacieczy

To przejście zmienia wiele właściwości cieczy, w tym jej lepkość i nieprzezroczystość. Właściwości te można regulować zmieniając liczbę, grubość i wielkość kapsułek w płynie.

Naukowcy zademonstrowali programowalność płynu, ładując metapłyn do hydraulicznego chwytaka automatycznego, a chwytak podnosił szklaną butelkę, jajko i jagodę. W tradycyjnym układzie hydraulicznym, który po prostu działa na powietrze lub wodę, robot potrzebowałby jakiegoś rodzaju czujników lub zewnętrznego sterowania, aby dostosować swój uchwyt i podnieść wszystkie trzy przedmioty bez ich zgniatania.

Ale w przypadku metafluidu percepcja nie jest wymagana. Sam płyn reaguje na różne ciśnienia i zmienia swoją podatność, dostosowując siłę chwytaka tak, aby bez dodatkowego programowania mógł utrzymać ciężką butelkę, delikatne jajko i małą jagodę.

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

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

Właściwości optyczne i stany płynne

Metaciecz zmienia również swoje właściwości optyczne pod wpływem zmieniających się ciśnień.

Kiedy kapsułki są okrągłe, rozpraszają światło i sprawiają, że płyn jest nieprzezroczysty, podobnie jak pęcherzyki powietrza sprawiają, że woda gazowana wydaje się biała. Jednakże pod wpływem nacisku kapsułki zapadają się, zachowując się jak mikrosoczewki, skupiając światło i nadając cieczy przezroczystość. Te właściwości optyczne można wykorzystać w szeregu zastosowań, takich jak e-atramenty zmieniające kolor w zależności od druku.

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

Następnie naukowcy chcą zbadać właściwości akustyczne i termodynamiczne metacieczy.

„Zakres zastosowań tych skalowalnych i łatwych w produkcji metapłynów jest ogromny” – powiedział Bertoldi.

Odniesienie: „Wyboczenie powłoki dla programowalnych metacieczy” autorstwa Adela Djellouli, Berta Van Raemdoncka, Yang Wanga, Yi Yang, Anthony’ego Caillauda, ​​Davida Weitza, Shmuela Rubinsteina, Benjamina Gorissena i Katii Bertoldi, 3 kwietnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07163-z

Harvard Office of Technology Development chroni własność intelektualną związaną z tymi badaniami i obecnie bada możliwości komercjalizacji.

Badania były częściowo wspierane przez NSF w ramach grantu DMR-2011754 z Centrum Badań nad Materiałami Uniwersytetu Harvarda.