Oamenii de știință de la Școala John A. Paulson de Inginerie și Științe Aplicate (SEAS) de la Harvard au dezvoltat un metafluid programabil cu reziliență reglabilă, proprietăți optice, vâscozitate și chiar cu capacitatea de a comuta între un fluid newtonian și unul newtonian. Proiectul aduce aminte de imaginile din celebra serie SF Terminator.
Metafluidul, primul de acest fel, utilizează o suspensie de sfere elastomerice mici – cu dimensiuni cuprinse între 50 și 500 de microni – care își modifică starea sub presiune, schimbând radical proprietățile fluidului.
Metafluidul ar putea fi utilizat în orice, de la actuatori hidraulici care programează roboți, la amortizoare inteligente care pot disipa energia în funcție de intensitatea impactului, la dispozitive optice care pot trece de la transparent la opac.
„Abia zgâriem suprafața a ceea ce este posibil cu această nouă clasă de fluide”, a declarat Adel Djellouli, cercetător asociat în știința materialelor și inginerie mecanică la SEAS.
Metafluidele vs. metamaterialele solide
Metamaterialele – materiale proiectate artificial ale căror proprietăți sunt determinate de structura lor, mai degrabă decât de compoziția lor – sunt utilizate de ani de zile într-o gamă largă de aplicații.
Dar majoritatea materialelor – cum ar fi metalenzile dezvoltate în laboratorul lui Federico Capasso, profesor de fizică aplicată Robert L. Wallace și cercetător principal Vinton Hayes în inginerie electrică la SEAS – sunt solide.
„Spre deosebire de metamaterialele solide, metafluidele au capacitatea unică de a curge și de a se adapta la forma recipientului lor”, a declarat Katia Bertoldi, profesor de mecanică aplicată William și Ami Kuan Danoff la SEAS și autor principal al lucrării.
„Scopul nostru a fost de a crea un metafluid care nu numai că posedă aceste proprietăți remarcabile, dar oferă și o platformă pentru vâscozitatea, compresibilitatea și proprietățile optice programabile.”, a declarat cercetătorul, potrivit Nature.
Folosind o tehnică de fabricare foarte scalabilă dezvoltată în laboratorul lui David A. Weitz, profesor de fizică Mallinckrodt și de fizică aplicată la SEAS, echipa de cercetare a produs sute de mii de aceste capsule sferice foarte deformabile umplute cu aer și suspendate în ulei de silicon.
Atunci când presiunea din lichid crește, capsulele se prăbușesc pentru a forma o emisferă asemănătoare unei lentile. Când presiunea este eliberată, capsulele revin la forma lor sferică.
Roboții din Terminator 2 devin realitate! Se lichefiază și apoi își recapătă forma solidă
Proprietăți și aplicații ale metafluidelor
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 încărcarea metafluidului într-un dispozitiv de prindere hidraulic robotizat și prinderea de către acesta a unei sticle de sticlă, a unui ou și a unei afine. Într-un sistem hidraulic tradițional alimentat cu simplu aer sau apă, robotul ar fi avut nevoie de un fel de detectare sau de control extern pentru a-și ajusta prinderea și a ridica toate cele trei obiecte fără a le strivi.
Dar cu metafluidul, nu este necesară nicio detecție. Fluidul însuși răspunde la presiuni diferite, schimbându-și conformitatea pentru a ajusta forța de prindere pentru a ridica o sticlă grea, un ou delicat și o afină mică, fără nicio programare suplimentară.
„Demonstrăm că putem folosi acest fluid pentru a da inteligență unui robot simplu”, spune Djellouli.
Cercetătorii au arătat, de asemenea, 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 prăbușite, suspensia devine un fluid non-newtonian, ceea ce înseamnă că vâscozitatea sa se modifică ca răspuns la forfecare – cu cât forfecarea este mai mare, cu atât mai fluidă devine. Acesta este primul metafluid despre care s-a demonstrat că trece de la starea newtoniană la cea newtoniană.
În continuare, cercetătorii intenționează să investigheze proprietățile acustice și termodinamice ale metafluidului.
„Gama de aplicații pentru aceste metafluide scalabile și ușor de preparat este imensă”, spune Bertoldi.