Οι επιστήμονες του Χάρβαρντ ανέπτυξαν ένα «ευφυές» υγρό

Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει ένα μεταρευστό με προγραμματιζόμενη απόκριση.

Επιστήμονες στο Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ανέπτυξαν ένα προγραμματιζόμενο μεταρευστό με ρυθμιζόμενο ελατηριωτό, οπτικές ιδιότητες, ιξώδες και ακόμη και δυνατότητα μετάβασης μεταξύ Νευτώνειου και μη Νευτώνειου ρευστού.

Το πρώτο στο είδος του μεταρευστό χρησιμοποιεί ένα εναιώρημα μικρών, ελαστομερών σφαιρών – μεταξύ 50 και 500 microns – που λυγίζουν υπό πίεση, αλλάζοντας ριζικά τα χαρακτηριστικά του ρευστού. Το μεταρευστό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε οτιδήποτε, από υδραυλικούς ενεργοποιητές έως προγραμματιστικά ρομπότ, έξυπνα αμορτισέρ που μπορούν να διαχέουν ενέργεια ανάλογα με την ένταση της κρούσης, έως οπτικές συσκευές που μπορούν να μεταβούν από καθαρό σε αδιαφανές.

Η έρευνα δημοσιεύεται στο Φύση.

«Απλώς ξύνουμε την επιφάνεια του τι είναι δυνατό με αυτή τη νέα κατηγορία ρευστού», δήλωσε ο Adel Djellouli, Επιστημονικός Συνεργάτης στην Επιστήμη των Υλικών και Μηχανολογία στη SEAS και πρώτος συγγραφέας της εργασίας. «Με αυτή τη μία πλατφόρμα, θα μπορούσατε να κάνετε τόσα πολλά διαφορετικά πράγματα σε τόσους πολλούς διαφορετικούς τομείς».

Μεταρευστά εναντίον Στερεών Μεταϋλικών

Τα μεταϋλικά – τεχνητά κατασκευασμένα υλικά των οποίων οι ιδιότητες καθορίζονται από τη δομή τους και όχι από τη σύνθεσή τους – χρησιμοποιούνται ευρέως σε μια σειρά εφαρμογών εδώ και χρόνια. Αλλά τα περισσότερα από τα υλικά – όπως οι μέταλενσες που πρωτοπαρουσιάστηκαν στο εργαστήριο του Federico Capasso, του Robert L. Wallace καθηγητή Εφαρμοσμένης Φυσικής και του Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering στο SEAS – είναι στερεά.

Συντονίσιμα οπτικά με ένα λογότυπο του Χάρβαρντ που εμφανίζεται κάτω από το μεταρευστό. Πίστωση: Harvard SEAS

«Σε αντίθεση με τα στερεά μεταϋλικά, τα μεταρευστά έχουν τη μοναδική ικανότητα να ρέουν και να προσαρμόζονται στο σχήμα του δοχείου τους», δήλωσε η Κάτια Μπέρτολντι, William and Ami Kuan Danoff, Καθηγήτρια Εφαρμοσμένης Μηχανικής στο SEAS και ανώτερη συγγραφέας της εργασίας. «Στόχος μας ήταν να δημιουργήσουμε ένα μεταρευστό που όχι μόνο θα διαθέτει αυτά τα αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά, αλλά θα παρέχει επίσης μια πλατφόρμα για προγραμματιζόμενο ιξώδες, συμπιεστότητα και οπτικές ιδιότητες».

Χρησιμοποιώντας μια εξαιρετικά επεκτάσιμη τεχνική κατασκευής που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο του David A. Weitz, καθηγητή Φυσικής και Εφαρμοσμένης Φυσικής στο Mallinckrodt στο SEAS, η ερευνητική ομάδα παρήγαγε εκατοντάδες χιλιάδες από αυτές τις εξαιρετικά παραμορφώσιμες σφαιρικές κάψουλες γεμάτες με αέρα και τις αιώρησαν σε λάδι πυριτίου. . Όταν η πίεση στο εσωτερικό του υγρού αυξάνεται, οι κάψουλες καταρρέουν, σχηματίζοντας μια μισή σφαίρα που μοιάζει με φακό. Όταν αφαιρεθεί αυτή η πίεση, οι κάψουλες επανέρχονται στο σφαιρικό τους σχήμα.

Ιδιότητες και Εφαρμογές του Metafluid

Αυτή η μετάβαση αλλάζει πολλές από τις ιδιότητες του υγρού, συμπεριλαμβανομένου του ιξώδους και της αδιαφάνειάς του. Αυτές οι ιδιότητες μπορούν να συντονιστούν αλλάζοντας τον αριθμό, το πάχος και το μέγεθος των καψουλών στο υγρό.

Οι ερευνητές απέδειξαν τη δυνατότητα προγραμματισμού του υγρού φορτώνοντας το μεταρευστό σε μια υδραυλική ρομποτική λαβή και βάζοντας τη λαβή να πάρει ένα γυάλινο μπουκάλι, ένα αυγό και ένα μύρτιλο. Σε ένα παραδοσιακό υδραυλικό σύστημα που τροφοδοτείται από απλό αέρα ή νερό, το ρομπότ θα χρειαζόταν κάποιο είδος αίσθησης ή εξωτερικό έλεγχο για να μπορέσει να ρυθμίσει τη λαβή του και να μαζέψει και τα τρία αντικείμενα χωρίς να τα συνθλίψει.

Αλλά με το metafluid, δεν χρειάζεται αίσθηση. Το ίδιο το υγρό ανταποκρίνεται σε διαφορετικές πιέσεις, αλλάζοντας τη συμμόρφωσή του για να ρυθμίσει τη δύναμη της λαβής ώστε να μπορεί να πάρει ένα βαρύ μπουκάλι, ένα ευαίσθητο αυγό και ένα μικρό μύρτιλο, χωρίς πρόσθετο προγραμματισμό.

«Δείχνουμε ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το υγρό για να προσδώσουμε νοημοσύνη σε ένα απλό ρομπότ», είπε ο Τζελούλι.

Η ομάδα έδειξε επίσης μια ρευστή λογική πύλη που μπορεί να επαναπρογραμματιστεί αλλάζοντας το μεταρευστό.

Οπτικές ιδιότητες και ρευστές καταστάσεις

Το μεταρευστό αλλάζει επίσης τις οπτικές του ιδιότητες όταν εκτίθεται σε μεταβαλλόμενες πιέσεις.

Όταν οι κάψουλες είναι στρογγυλές, διασκορπίζουν το φως, καθιστώντας το υγρό αδιαφανές, όπως οι φυσαλίδες αέρα κάνουν το αεριζόμενο νερό να φαίνεται λευκό. Αλλά όταν ασκείται πίεση και οι κάψουλες καταρρέουν, λειτουργούν σαν μικροφακοί, εστιάζουν το φως και κάνουν το υγρό διαφανές. Αυτές οι οπτικές ιδιότητες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για μια σειρά εφαρμογών, όπως τα ηλεκτρονικά μελάνια που αλλάζουν χρώμα με βάση την πίεση.

Οι ερευνητές έδειξαν επίσης ότι όταν οι κάψουλες είναι σφαιρικές, το μεταρευστό συμπεριφέρεται σαν νευτώνειο ρευστό, που σημαίνει ότι το ιξώδες του αλλάζει μόνο σε απόκριση στη θερμοκρασία. Ωστόσο, όταν οι κάψουλες καταρρέουν, το εναιώρημα μετατρέπεται σε μη νευτώνειο ρευστό, πράγμα που σημαίνει ότι το ιξώδες του θα αλλάξει ως απόκριση στη δύναμη διάτμησης – όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη διάτμησης, τόσο πιο ρευστό γίνεται. Αυτό είναι το πρώτο μεταρευστό που έχει αποδειχθεί ότι μεταβαίνει μεταξύ Νευτώνειων και μη Νευτώνειων καταστάσεων.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές στοχεύουν να εξερευνήσουν τις ακουστικές και θερμοδυναμικές ιδιότητες του μεταρευστού.

«Ο χώρος εφαρμογής για αυτά τα κλιμακούμενα, εύκολα στην παραγωγή μεταρευστά είναι τεράστιος», είπε ο Bertoldi.

Αναφορά: «Λυγισμός κελύφους για προγραμματιζόμενα μεταρευστά» από τους Adel Djellouli, Bert Van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Gorissen και Katia Bertoldi, 3 Απριλίου 2024, Φύση.
DOI: 10.1038/s41586-024-07163-z

Το Γραφείο Ανάπτυξης Τεχνολογίας του Χάρβαρντ προστατεύει την πνευματική ιδιοκτησία που σχετίζεται με αυτήν την έρευνα και διερευνά ευκαιρίες εμπορευματοποίησης.

Η έρευνα υποστηρίχθηκε εν μέρει από το NSF μέσω του Κέντρου Επιστήμης και Μηχανικής Έρευνας Υλικών του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ με αριθμό επιχορήγησης DMR-2011754.