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 w swoim rodzaju metafluid wykorzystuje zawiesinę małych elastomerowych kulek o średnicy od 50 do 500 mikronów, które wyginają się pod ciśnieniem, radykalnie zmieniając właściwości płynu. Metapłyn można wykorzystać we wszystkim, od siłowników hydraulicznych po programy robotów, inteligentne amortyzatory, które mogą rozpraszać energię w zależności od intensywności uderzenia, po urządzenia optyczne, które mogą zmieniać kolor ze stanu przezroczystego na nieprzezroczysty.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature.
„Dopiero zarysowujemy powierzchnię możliwości tej nowej klasy płynów” – powiedział Adel Djellouli, pracownik naukowy w dziedzinie inżynierii materiałowej i inżynierii mechanicznej w SEAS i pierwszy autor artykułu. „Dzięki tej jednej platformie można robić tak wiele różnych rzeczy w tak wielu różnych dziedzinach”.
Metamateriały – sztucznie zaprojektowane materiały, których właściwości zależą raczej od ich struktury niż składu – od lat są szeroko stosowane w szeregu zastosowań. Jednak większość materiałów – jak na przykład metale, których pionierem było laboratorium Federico Capasso, profesora fizyki stosowanej Roberta L. Wallace’a i starszego pracownika badawczego w dziedzinie elektrotechniki w SEAS – Vintona Hayesa – jest solidna.
„W przeciwieństwie do stałych metamateriałów, metaciecze mają wyjątkową zdolność płynięcia i dostosowywania się do kształtu pojemnika” – stwierdzili Katia Bertoldi, William i Ami Kuan Danoff, profesor mechaniki stosowanej w SEAS i starszy autor artykułu. „Naszym celem było stworzenie metacieczy, który nie tylko posiada te niezwykłe cechy, ale także zapewnia platformę dla programowalnej lepkości, ściśliwości i właściwości optycznych”.
Wykorzystując wysoce skalowalną technikę wytwarzania opracowaną w laboratorium Davida A. Weitza, profesora fizyki i fizyki stosowanej Mallinckrodta w SEAS, zespół badawczy wyprodukował setki tysięcy wysoce odkształcalnych kulistych kapsułek wypełnionych powietrzem i zawieszonych w oleju silikonowym . Kiedy ciśnienie wewnątrz płynu wzrasta, kapsułki zapadają się, tworząc półkulę przypominającą soczewkę. Kiedy ciśnienie zostanie usunięte, kapsułki powracają do swojego kulistego kształtu.
To przejście zmienia wiele właściwości cieczy, w tym jej lepkość i nieprzezroczystość. Właściwości te można regulować, zmieniając liczbę, grubość i rozmiar kapsułek w cieczy.
Naukowcy zademonstrowali programowalność cieczy, ładując metapłyn do hydraulicznego chwytaka automatycznego i prosząc, aby chwytak podnosił szklaną butelkę, jajko i jagodę. W tradycyjnym układzie hydraulicznym zasilanym zwykłym powietrzem lub wodą robot potrzebowałby jakiegoś rodzaju czujników lub zewnętrznego sterowania, aby móc dostosować swój uchwyt i podnieść wszystkie trzy przedmioty bez ich zgniatania.
Ale w przypadku metacieczy nie jest potrzebne żadne wykrywanie. Sam płyn reaguje na różne ciśnienia, zmieniając swoją podatność, aby dostosować siłę chwytaka tak, aby móc podnieść ciężką butelkę, delikatne jajko i małą jagodę, bez dodatkowego programowania.
„Pokazujemy, że możemy wykorzystać ten płyn, aby nadać inteligencję prostemu robotowi” – powiedział Djellouli.
Zespół zademonstrował także płynną bramkę logiczną, którą można przeprogramować poprzez zmianę metacieczy.
Metaciecz zmienia również swoje właściwości optyczne pod wpływem zmieniających się ciśnień.
Kiedy kapsułki są okrągłe, rozpraszają światło, sprawiając, że płyn jest nieprzezroczysty, podobnie jak pęcherzyki powietrza sprawiają, że napowietrzona woda wydaje się biała. Jednak po zastosowaniu nacisku i kapsułki zapadną się, zachowują 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 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 przekształca 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, w przypadku którego wykazano przejście między stanami newtonowskimi i nienewtonowskimi.
Następnie badacze zamierzają zbadać właściwości akustyczne i termodynamiczne metacieczy.
„Przestrzeń zastosowań tych skalowalnych i łatwych w produkcji metapłynów jest ogromna” – powiedział Bertoldi.
Biuro ds. Rozwoju Technologii Harvardu chroni własność intelektualną związaną z tymi badaniami i bada możliwości komercjalizacji.
Badania były częściowo wspierane przez NSF w ramach grantu Centrum Nauki i Inżynierii Materiałów Uniwersytetu Harvarda o numerze DMR-2011754.
Współautorami byli Bert Van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein i Benjamin Gorissen.