Исследователи из Гарварда создали универсальную программируемую метажидкость, которая может менять свои свойства, включая вязкость и оптическую прозрачность, в ответ на давление. Этот новый класс жидкости имеет потенциальное применение в робототехнике, оптических устройствах и рассеивании энергии, демонстрируя значительный прорыв в технологии метаматериалов.
(Концепция художника). Фото: SciTechDaily.com
Ученые разработали метажидкость с программируемой реакцией.
Ученые из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали программируемую метажидкость с настраиваемой упругостью, оптическими свойствами, вязкостью и даже способностью переходить между ньютоновской и неньютоновской жидкостью.
Первая в своем роде метажидкость использует суспензию небольших эластомерных сфер размером от 50 до 500 микрон, которые деформируются под давлением, радикально меняя характеристики жидкости. Метажидкость может использоваться во всем: от гидравлических приводов до программных роботов, до интеллектуальных амортизаторов, которые могут рассеивать энергию в зависимости от интенсивности удара, до оптических устройств, которые могут переходить от прозрачного к непрозрачному виду.
Исследование опубликовано в журнале Nature .
«Мы только прикасаемся к тому, что возможно с этим новым классом жидкостей», — сказала Адель Джеллули, научный сотрудник в области материаловедения и машиностроения в SEAS и первый автор статьи. «С помощью этой единой платформы вы можете делать так много разных вещей в самых разных областях».
Метажидкости против твердых метаматериалов
Метаматериалы — искусственно созданные материалы, свойства которых определяются их структурой, а не составом — уже много лет широко используются в различных приложениях. Но большинство материалов, таких как металинзы, впервые изобретенные в лаборатории Федерико Капассо, профессора прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старшего научного сотрудника по электротехнике Винтона Хейса в SEAS, являются твердыми.
«В отличие от твердых метаматериалов , метажидкости обладают уникальной способностью течь и адаптироваться к форме своего контейнера», — сказала Катя Бертольди, профессор прикладной механики Уильяма и Ами Куан Данофф в SEAS и старший автор статьи. «Наша цель состояла в том, чтобы создать метажидкость, которая не только обладала бы этими замечательными свойствами, но также обеспечивала бы платформу для программируемой вязкости, сжимаемости и оптических свойств».
Используя высокомасштабируемую технологию изготовления, разработанную в лаборатории Дэвида А. Вейца, профессора физики и прикладной физики Маллинкродта в SEAS, исследовательская группа изготовила сотни тысяч этих сильно деформируемых сферических капсул, наполненных воздухом, и подвешивала их в силиконовом масле. . Когда давление внутри жидкости увеличивается, капсулы разрушаются, образуя линзообразную полусферу. Когда это давление снимается, капсулы возвращаются к своей сферической форме.
Свойства и применение метафлюида
Этот переход меняет многие свойства жидкости, включая ее вязкость и непрозрачность. Эти свойства можно настроить, изменяя количество, толщину и размер капсул в жидкости.
Исследователи продемонстрировали программируемость жидкости, загрузив метажидкость в гидравлический роботизированный захват и заставив захват поднять стеклянную бутылку, яйцо и чернику. В традиционной гидравлической системе, работающей на простом воздухе или воде, роботу потребуется какой-то датчик или внешнее управление, чтобы иметь возможность регулировать захват и поднимать все три объекта, не раздавливая их.
Но при наличии метажидкости никакие сенсоры не нужны. Сама жидкость реагирует на различное давление, изменяя свою податливость, чтобы регулировать силу захвата, чтобы можно было поднять тяжелую бутылку, нежное яйцо и маленькую чернику без дополнительного программирования.
«Мы показываем, что можем использовать эту жидкость, чтобы наделить интеллектом простого робота», — сказала Джеллули.
Команда также продемонстрировала жидкостный логический вентиль, который можно перепрограммировать, изменив метажидкость.
Оптические свойства и состояния жидкости
Метажидкость также меняет свои оптические свойства под воздействием изменяющегося давления.
Когда капсулы круглые, они рассеивают свет, делая жидкость непрозрачной, подобно тому, как пузырьки воздуха делают газированную воду белой. Но когда прикладывается давление и капсулы разрушаются, они действуют как микролинзы, фокусируя свет и делая жидкость прозрачной. Эти оптические свойства могут быть использованы для целого ряда применений, например, для электронных чернил, которые меняют цвет в зависимости от давления.
Исследователи также показали, что когда капсулы имеют сферическую форму, метажидкость ведет себя как ньютоновская жидкость, то есть ее вязкость меняется только в зависимости от температуры. Однако когда капсулы схлопываются, суспензия превращается в неньютоновскую жидкость, а это означает, что ее вязкость будет меняться в ответ на силу сдвига — чем больше сила сдвига, тем более жидкой она становится. Это первая метажидкость, в которой было показано, что она осуществляет переход между ньютоновским и неньютоновским состояниями.
Далее исследователи стремятся изучить акустические и термодинамические свойства метажидкости.
«Пространство применения этих масштабируемых и простых в производстве метажидкостей огромно», — сказала Бертольди.
Ссылка: «Выпучивание оболочки для программируемых метажидкостей», Адель Джеллули, Берт Ван Рэмдонк, Ян Ван, И Ян, Энтони Кайо, Дэвид Вейц, Шмуэль Рубинштейн, Бенджамин Гориссен и Катя Бертольди, 3 апреля 2024 г., Nature .
DOI: 10.1038/s41586-024-07163-z
Управление технологического развития Гарварда защитило интеллектуальную собственность, связанную с этим исследованием, и изучает возможности коммерциализации.
Исследование было частично поддержано NSF через грант Центра материаловедения и инженерии Гарвардского университета номер DMR-2011754.
Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
