Вчені розробили «розумну» рідину

Вчені розробили метафлюїд із програмованою реакцією. Вчені Гарвардської школи інженерії та прикладних наук імені Джона А. Полсона (SEAS) розробили програмований метафлюїд із регульованою пружністю, оптичними властивостями, в’язкістю та навіть здатністю переходити між ньютонівською та неньютонівською рідинами.

Перша у своєму роді метафлюїд використовує суспензію невеликих еластомерних сфер — від 50 до 500 мікрон — які згинаються під тиском, радикально змінюючи характеристики рідини. Метафлюїд можна використовувати у всьому, від гідравлічних приводів до програмних роботів, до інтелектуальних амортизаторів, які можуть розсіювати енергію залежно від інтенсивності удару, до оптичних пристроїв, які можуть переходити від прозорого до непрозорого. Дослідження опубліковано в Nature.

«Ми лише дряпаємо поверхню того, що можливо з цим новим класом рідин», — сказав Адель Джеллулі, науковий співробітник відділу матеріалознавства та машинобудування в SEAS і перший автор статті. «За допомогою цієї єдиної платформи ви можете робити стільки різних речей у багатьох різних сферах».

Метафлюїди проти твердих метаматеріалів

Метаматеріали — штучно сконструйовані матеріали, властивості яких визначаються їхньою структурою, а не складом — широко використовувалися в ряді застосувань протягом багатьох років. Але більшість матеріалів, таких як металензи, вперше створені в лабораторії Федеріко Капассо, професора прикладної фізики Роберта Л. Уоллеса та старшого наукового співробітника з електротехніки SEAS Вінтона Хейза, є твердими.

«На відміну від твердих метаматеріалів, метафлюїди мають унікальну здатність текти та адаптуватися до форми свого контейнера», — сказала Катя Бертольді, Вільям та Амі Куан Данофф, професор прикладної механіки в SEAS і старший автор статті. «Нашою метою було створити метафлюїд, який не тільки володіє цими чудовими властивостями, але й забезпечує платформу для програмованої в’язкості, стисливості та оптичних властивостей».

Використовуючи масштабовану технологію виготовлення, розроблену в лабораторії Девіда А. Вейца, професора фізики та прикладної фізики Маллінкродта в SEAS, дослідницька група виготовила сотні тисяч цих високодеформованих сферичних капсул, наповнених повітрям і суспендованих у силіконової оливи. При підвищенні тиску всередині рідини капсули руйнуються, утворюючи лінзоподібну напівсферу. Коли цей тиск припиняється, капсули повертаються до своєї сферичної форми.

Властивості та застосування метафлюїду

Цей перехід змінює багато властивостей рідини, включаючи її в’язкість і непрозорість. Ці властивості можна налаштувати, змінюючи кількість, товщину та розмір капсул у рідині.

Дослідники продемонстрували можливість програмування рідини, завантаживши метафлюїд у гідравлічний роботизований захват, який забрав скляну пляшку, яйце та чорницю. У традиційній гідравлічній системі, що живиться простим повітрям або водою, робот потребує певного датчика або зовнішнього керування, щоб мати можливість регулювати свій хват і підбирати всі три об’єкти, не розчавлюючи їх.

Але з метафлюїдом не потрібні зондування. Сама рідина реагує на різні тиски, змінюючи свою податливість, щоб регулювати силу захвату, щоб мати можливість взяти важку пляшку, ніжне яйце та маленьку чорницю без додаткового програмування.

«Ми показуємо, що ми можемо використовувати цю рідину, щоб наділити простим роботом інтелектом», — сказав Джеллулі.

Команда також продемонструвала флюїдний логічний вентиль, який можна перепрограмувати шляхом зміни метафлюїду.

Оптичні властивості та рідинні стани

Метафлюїд також змінює свої оптичні властивості під впливом змінного тиску. Коли капсули круглі, вони розсіюють світло, роблячи рідину непрозорою, подібно до того, як бульбашки повітря роблять газовану воду білою. Але коли застосовується тиск і капсули руйнуються, вони діють як мікролінзи, фокусуючи світло і роблячи рідину прозорою. Ці оптичні властивості можна використовувати для цілого ряду застосувань, наприклад для електронних чорнил, які змінюють колір залежно від тиску.

Дослідники також показали, що коли капсули мають сферичну форму, метафлюїд поводиться як ньютонівська рідина, тобто її в’язкість змінюється лише у відповідь на температуру. Однак, коли капсули руйнуються, суспензія перетворюється на неньютонівську рідину, що означає, що її в’язкість змінюватиметься у відповідь на силу зсуву — чим більша сила зсуву, тим більш рідкою вона стає. Це перша метафлюїд, який, як було показано, переходить між ньютонівським і неньютонівським станами.

Далі дослідники прагнуть вивчити акустичні та термодинамічні властивості метафлюїду.

«Простір застосування для цих масштабованих, простих у виробництві метафлюїдів величезний», — сказав Бертольді.