Mokslininkai sukūrė meta-skystį su programuojamu atsaku.

Harvardo Johno A. Paulsono inžinerijos ir taikomųjų mokslų mokyklos (SEAS) mokslininkai sukūrė programuojamą metafluidinį skystį, pasižymintį reguliuojamu elastingumu, optinėmis savybėmis, klampumu ir netgi galimybe pereiti tarp Niutono ir neniutono skysčių.

Pirmajame tokio tipo metafluorescenciniame skystyje naudojama mažų guminių rutuliukų – nuo ​​50 iki 500 mikronų – suspensija, kuri lankstosi veikiant slėgiui, radikaliai pakeisdama skysčio savybes. „Metafluidic“ gali būti naudojamas visame kame – nuo ​​hidraulinių pavarų iki programuojamų robotų, išmaniųjų amortizatorių, kurie gali išsklaidyti energiją priklausomai nuo smūgio stiprumo, iki optinių įrenginių, kurie gali tapti nuo skaidraus iki nepermatomo.

Tyrimas paskelbtas m gamta.

„Mes tik subraižome paviršių, kas įmanoma naudojant šią naują skysčių klasę“, – sakė Adel Jalouli, SEAS medžiagų mokslo ir mechaninės inžinerijos mokslinis bendradarbis ir pirmasis šio straipsnio autorius. „Naudodami šią vieną platformą galite atlikti daug skirtingų dalykų įvairiose srityse.

Metafluids vs Solids

Metamedžiagos – sukurtos medžiagos, kurių savybes lemia jų struktūra, o ne sudėtis – daugelį metų buvo plačiai naudojamos įvairiose srityse. Tačiau dauguma medžiagų, pavyzdžiui, novatoriški metaliniai mineralai Federico Capasso ir Roberto L. laboratorijoje. Wallace'as, Fenton Hayes taikomųjų mokslų mokyklos elektrotechnikos vyresnysis mokslinis bendradarbis, yra kietosios medžiagos.

Reguliuojama optika su Harvardo universiteto logotipu, rodomu po metafluorescenciniu skysčiu. Kreditas: Harvardo universiteto SEAS

„Skirtingai nei kietas metamedžiagos„Metaforiniai skysčiai turi unikalų gebėjimą tekėti ir prisitaikyti prie jų talpyklos formos“, – sakė Katia Bertoldi, Williamo ir Amy Cowanų Danoffų taikomosios mechanikos profesorė Taikomųjų mokslų kolegijoje ir vyresnioji straipsnio autorė. „Mūsų tikslas buvo sukurti meta-skystį, kuris ne tik turėtų šias puikias savybes, bet ir suteiktų platformą programuojamam klampumui, suspaudžiamumui ir optinėms savybėms.

Naudojant labai keičiamą gamybos technologiją, sukurtą David A. Weitzas, Mallinckrodt fizikos ir taikomosios fizikos profesorius SEAS, tyrimų grupė pagamino šimtus tūkstančių šių labai deformuojamų, oru užpildytų sferinių kapsulių ir suspendavo jas silikono aliejuje. . Padidėjus slėgiui skysčio viduje, kapsulės subyra ir susidaro į lęšį panašus pusrutulis. Kai šis slėgis pašalinamas, kapsulės grįžta į sferinę formą.

Metafluid savybės ir taikymas

Ši transformacija keičia keletą skysčio savybių, įskaitant klampumą ir neskaidrumą. Šias savybes galima reguliuoti keičiant skystyje esančių kapsulių skaičių, storį ir tūrį.

Tyrėjai įrodė skysčio programuojamumą įkeldami metafizinį skystį į hidraulinį robotinį griebtuvą ir griebtuvu paėmę butelį, kiaušinį ir uogą. Paprastoje tradicinėje oru ar vandeniu varomoje hidraulinėje sistemoje robotui reikėtų kažkokio išorinio jutiklio ar valdiklio, kad jis galėtų reguliuoti sukibimą ir paimti tris objektus jų nesutraiškydamas.

Tačiau naudojant metafluidą jutimo nereikia. Pats skystis reaguoja į skirtingą slėgį, pakeisdamas savo atitiktį, kad sureguliuotų rankenos jėgą, kad būtų galima paimti sunkų butelį, gležną kiaušinį ir mažą uogą be papildomo programavimo.

„Mes parodėme, kad galime naudoti šį skystį, kad suteiktume žvalgybos paprastam robotui”, – sakė Jalouli.

Komanda taip pat pademonstravo skysčių loginius vartus, kuriuos galima perprogramuoti keičiant metafluidiką.

Skysčių optinės savybės ir būsenos

Metafluidas taip pat keičia savo optines savybes, kai yra veikiamas įvairaus slėgio.

Kai kapsulės yra apvalios, jos išsklaido šviesą, todėl skystis tampa nepermatomas, lygiai taip pat, kaip dėl oro burbuliukų gazuotas vanduo atrodo baltas. Tačiau kai daromas slėgis ir kapsulės subyra, jos veikia kaip maži lęšiai, sufokusuoja šviesą ir daro skystį skaidrų. Šios optinės savybės gali būti naudojamos įvairioms reikmėms, pvz., elektroniniams rašalams, kurie keičia spalvą dėl slėgio.

Tyrėjai taip pat parodė, kad kai kapsulės yra sferinės, metafluidas elgiasi kaip Niutono skystis, o tai reiškia, kad jo klampumas keičiasi tik reaguojant į temperatūrą. Tačiau kapsulėms subyrėjus, suspensija virsta ne niutono skysčiu, o tai reiškia, kad jos klampumas pasikeis reaguojant į šlyties jėgą – kuo didesnė šlyties jėga, tuo skystesnė ji tampa. Tai pirmasis meta skystis, kuris, kaip įrodyta, pereina iš Niutono būsenų į ne Niutono būseną.

Toliau mokslininkai siekia ištirti superskysčių akustines ir termodinamines savybes.

„Šių keičiamo dydžio, lengvai gaminamų metafluidų taikymo erdvė yra didžiulė“, – sakė Bertoldi.

Nuoroda: Adel Jalouli, Bert van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Goersen ir Katja Bertoldi „Shell Indentation for Programmable Metafluids“, 2024 m. balandžio 3 d. gamta.
doi: 10.1038/s41586-024-07163-z

Harvardo universiteto technologijų plėtros biuras apsaugojo su šiuo tyrimu susijusią intelektinę nuosavybę ir tiria komercializavimo galimybes.

Šį tyrimą iš dalies parėmė NSF per Harvardo universiteto Medžiagų tyrimų mokslo ir inžinerijos centro dotaciją Nr. DMR-2011754.