Wetenschappers van Harvard hebben een ‘slimme’ vloeistof ontwikkeld.

Wetenschappers hebben een metavloeistof ontwikkeld met een programmeerbare respons.

Wetenschappers van John A. De Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) van Harvard heeft een programmeerbare metafluidische vloeistof ontwikkeld met instelbare elasticiteit, optische eigenschappen, viscositeit en zelfs het vermogen om over te schakelen tussen Newtoniaanse en niet-Newtoniaanse vloeistoffen.

De eerste in zijn soort metafluorescerende vloeistof maakt gebruik van een suspensie van kleine rubberen balletjes – tussen de 50 en 500 micron – die onder druk buigen, waardoor de eigenschappen van de vloeistof radicaal veranderen. Metafluidic kan in alles worden gebruikt, van hydraulische actuatoren tot programmeerbare robots, tot slimme schokdempers die energie kunnen dissiperen, afhankelijk van de ernst van de impact, tot optische apparaten die van helder naar ondoorzichtig kunnen gaan.

Het onderzoek is gepubliceerd in natuur.

“We staan ​​nog maar aan het begin van wat mogelijk is met deze nieuwe klasse vloeistoffen”, zegt Adel Jalouli, onderzoeksmedewerker materiaalkunde en werktuigbouwkunde bij SEAS en eerste auteur van het artikel. “Met dit ene platform kun je veel verschillende dingen doen op veel verschillende gebieden.”

Metavloeistoffen versus vaste stoffen

Metamaterialen – technische materialen waarvan de eigenschappen worden bepaald door hun structuur in plaats van door hun samenstelling – worden al jaren op grote schaal gebruikt in een reeks toepassingen. Maar de meeste materialen – zoals baanbrekende metaalmineralen in het laboratorium van Federico Capasso en Robert L. Wallace, een senior research fellow in elektrotechniek aan de Fenton Hayes School of Applied Sciences, zijn vaste stoffen.

Verstelbare optiek met het logo van Harvard University onder de metafluorescerende vloeistof. Krediet: Harvard University SEAS

“In tegenstelling tot solide metamaterialen“Metaforische vloeistoffen hebben het unieke vermogen om te stromen en zich aan te passen aan de vorm van hun container”, zegt Katia Bertoldi, de William en Amy Cowan Danoff hoogleraar Toegepaste Mechanica aan het College of Applied Sciences en senior auteur van het artikel. “Ons doel was om een ​​metavloeistof te creëren die niet alleen deze geweldige eigenschappen had, maar ook een platform bood voor programmeerbare viscositeit, samendrukbaarheid en optische eigenschappen.”

Met behulp van een zeer schaalbare productietechnologie ontwikkeld in het laboratorium van David A. Weitz, de Mallinckrodt hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde bij SEAS, produceerde het onderzoeksteam honderdduizenden van deze zeer vervormbare, met lucht gevulde bolvormige capsules en suspendeerde ze in siliconenolie. . Wanneer de druk in de vloeistof toeneemt, vouwen de capsules in en vormen een lensachtige halve bol. Wanneer deze druk wordt weggenomen, keren de capsules terug naar hun bolvorm.

Metafluide eigenschappen en toepassingen

Deze transformatie verandert verschillende eigenschappen van de vloeistof, waaronder viscositeit en opaciteit. Deze eigenschappen kunnen worden aangepast door het aantal, de dikte en het volume van de capsules in de vloeistof te veranderen.

De onderzoekers demonstreerden de programmeerbaarheid van de vloeistof door de metafysische vloeistof in een hydraulische robotgrijper te laden en de grijper een fles, een ei en een bes te laten oppakken. In een eenvoudig traditioneel lucht- of wateraangedreven hydraulisch systeem zou de robot een soort externe sensor of besturing nodig hebben om zijn greep te kunnen aanpassen en de drie voorwerpen op te kunnen pakken zonder ze te verpletteren.

Maar met metafluid is detectie niet nodig. De vloeistof zelf reageert op verschillende drukken, waardoor de conformiteit verandert om de kracht van de hendel aan te passen, zodat deze een zware fles, een kwetsbaar ei en een kleine bes kan oppakken, zonder extra programmering.

“We hebben laten zien dat we deze vloeistof kunnen gebruiken om intelligentie te geven aan een eenvoudige robot”, zegt Jalouli.

Het team demonstreerde ook een vloeiende logische poort die kan worden geherprogrammeerd door de metafluidica te veranderen.

Optische eigenschappen en toestanden van vloeistoffen

Metafluid verandert ook zijn optische eigenschappen wanneer het wordt blootgesteld aan variërende druk.

Wanneer de capsules rond zijn, verspreiden ze licht, waardoor de vloeistof ondoorzichtig wordt, net zoals luchtbellen ervoor zorgen dat koolzuurhoudend water er wit uitziet. Maar wanneer er druk wordt uitgeoefend en de capsules instorten, gedragen ze zich als kleine lenzen, waardoor het licht wordt gebundeld en de vloeistof transparant wordt. Deze optische eigenschappen kunnen voor een reeks toepassingen worden gebruikt, zoals elektronische inkten die van kleur veranderen op basis van druk.

De onderzoekers toonden ook aan dat wanneer de capsules bolvormig zijn, de metavloeistof zich gedraagt ​​als een Newtoniaanse vloeistof, wat betekent dat de viscositeit alleen verandert als reactie op de temperatuur. Wanneer de capsules echter instorten, verandert de suspensie in een niet-Newtonse vloeistof, wat betekent dat de viscositeit zal veranderen als reactie op de schuifkracht: hoe groter de schuifkracht, hoe vloeibaarder deze wordt. Dit is de eerste metavloeistof waarvan is aangetoond dat deze overgaat tussen Newtoniaanse en niet-Newtoniaanse toestanden.

Vervolgens willen de onderzoekers de akoestische en thermodynamische eigenschappen van supervloeistoffen onderzoeken.

“De toepassingsruimte voor deze schaalbare, eenvoudig te produceren metavloeistoffen is enorm”, zegt Bertoldi.

Referentie: “Shell Indentation for Programmable Metafluids” door Adel Jalouli, Bert van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Goersen en Katja Bertoldi, 3 april 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-024-07163-z

Het Office of Technology Development van de Harvard Universiteit heeft het intellectuele eigendom dat met dit onderzoek samenhangt beschermd en onderzoekt commercialiseringsmogelijkheden.

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door NSF via Harvard University Materials Research Science and Engineering Center Grant nr. DMR-2011754.