Cercetătorii de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) au dezvoltat un metafluid programabil care își poate modifica elasticitatea, proprietățile optice, vâscozitatea și care are chiar capacitatea de a trece din fluid newtonian într-unul non-newtonian. Primul metafluid de acest fel folosește o suspensie de sfere mici, elastomerice – cu diametre cuprinse între 50 și 500 de microni – care se deformează sub presiune, schimbând radical caracteristicile fluidului. Metafluidul ar putea fi folosit în numeroase aplicații, de la actuatoare hidraulice la roboți, la amortizoare inteligente care pot disipa energia în funcție de intensitatea impactului, până la dispozitive optice care pot trece de la transparent la opac. Rezultatele au fost prezentate într-un articol publicat în revista Nature.
„Suntem doar la începutul înțelegerii a ceea ce este posibil cu această nouă clasă de fluide”, a spus Adel Djellouli, asociat de cercetare în știința materialelor și inginerie mecanică la SEAS și autorul principal al lucrării. „Cu această platformă, puteți face multe lucruri diferite în multe domenii diferite.”
Metamaterialele – materialele realizate artificial ale căror proprietăți sunt determinate mai degrabă de structura lor, decât de compoziție – au fost utilizate pe scară largă într-o serie de aplicații de ani de zile. Dar majoritatea lor sunt solide. „Spre deosebire de metamaterialele solide, metafluidele au capacitatea unică de a curge și de a se adapta la forma recipientului lor”, a spus Katia Bertoldi, profesor de mecanică aplicată la SEAS și coautor al lucrării. „Scopul nostru a fost să creăm un metafluid care nu numai că posedă aceste propietăți remarcabile, dar oferă și o platformă pentru programarea vâscozității, compresibilitîții și proprietăților optice.”
Folosind o tehnică de fabricație extrem de scalabilă dezvoltată în laboratorul lui David A. Weitz, profesor Mallinckrodt de fizică și fizică aplicată la SEAS, echipa de cercetători a produs sute de mii de aceste mici capsule sferice extrem de deformabile umplute cu aer și le-au suspendat în ulei siliconic. Atunci cân presiunea din interiorul lichidului crește, capsulele se deformează, formând o jumătate de sferă asemănătoare unei lentile. Când presiunea este îndepărtată, capsulele revin în forma lor sferică. Această tranziție modifică multe dintre proprietățile lichidului, inclusiv vâscozitatea și opacitatea acestuia. Aceste proprietăți pot fi reglate prin modificarea numărului, grosimii și dimensiunii capsulelor din lichid.
Cercetătorii au demonstrat programabilitatea lichidului prin folosirea metafluidului într-un dispozitiv de prindere robot hidraulic cu ajutorul căruia a ridicat o sticlă, un ou și o afină. Într-un sistem hidraulic tradițional, robotul ar avea nevoie de un fel de senzor sau de control extern pentru a-și putea regla forța de prinderea și a ridica toate cele trei obiecte fără a le zdrobi. Dar, folosind metafluidul, nu este nevoie de detectare. Lichidul în sine răspunde la diferite presiuni, modificându-și comportamentul pentru a regla forța de strângere pentru a putea ridica o sticlă grea, un ou delicat și o afină mică, fără a fi nevoie de programare suplimentară. „Arătăm că putem folosi acest fluid pentru a dota cu inteligență un robot simplu”, a spus Djellouli.
Echipa a realizat și o poartă logică fluidică care poate fi reprogramată prin schimbarea metafluidului. De asemenea, metafluidul își schimbă proprietățile optice atunci când este expus la presiuni în schimbare. Când capsulele sunt rotunde, împrăștie lumina, făcând lichidul opac, la fel cum bulele de aer fac ca spuma mării să pară albă. Dar atunci când se aplică presiune și capsulele se deformează, ele acționează ca niște microlentile, concentrând lumina și făcând lichidul transparent. Aceste proprietăți optice ar putea fi utilizate pentru o gamă largă de aplicații, cum ar fi cernelurile electronice care își schimbă culoarea în funcție de presiune.
Cercetătorii au mai arătat că atunci când capsulele sunt sferice, metafluidul se comportă ca un fluid newtonian, ceea ce înseamnă că vâscozitatea sa se modifică doar ca răspuns la temperatură. Cu toate acestea, atunci când capsulele sunt deformate, suspensia se transformă într-un fluid non-newtonian, ceea ce înseamnă că vâscozitatea sa se va modifica ca răspuns la forța de forfecare – cu cât forța de forfecare este mai mare, cu atât devine mai fluidă. Acesta este primul metafluid care s-a demonstrat că face tranziția între stările newtoniene și non-newtoniene.
În continuare, cercetătorii vor explora proprietățile acustice și termodinamice ale metafluidului. „Spațiul de aplicare pentru aceste metafluide scalabile și ușor de produs este uriaș”, a spus Bertoldi.
