Harvard-Wissenschaftler haben eine „intelligente“ Flüssigkeit entwickelt.

Wissenschaftler haben ein Meta-Fluid mit einer programmierbaren Reaktion entwickelt.

Wissenschaftler von John A. Die Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in Harvard hat eine programmierbare metafluidische Flüssigkeit mit einstellbarer Elastizität, optischen Eigenschaften, Viskosität und sogar der Fähigkeit zum Übergang zwischen Newtonschen und nicht-Newtonschen Flüssigkeiten entwickelt.

Die erste metafluoreszierende Flüssigkeit ihrer Art verwendet eine Suspension winziger Gummibälle – zwischen 50 und 500 Mikrometer –, die sich unter Druck biegen und die Eigenschaften der Flüssigkeit radikal verändern. Metafluidik kann in allen Bereichen eingesetzt werden, von hydraulischen Aktoren über programmierbare Roboter bis hin zu intelligenten Stoßdämpfern, die je nach Schwere des Aufpralls Energie abbauen können, bis hin zu optischen Geräten, die von klar bis undurchsichtig reichen können.

Die Forschung ist veröffentlicht in Natur.

„Wir kratzen nur an der Oberfläche dessen, was mit dieser neuen Klasse von Flüssigkeiten möglich ist“, sagte Adel Jalouli, wissenschaftlicher Mitarbeiter für Materialwissenschaften und Maschinenbau am SEAS und Erstautor des Artikels. „Mit dieser einen Plattform kann man viele verschiedene Dinge in vielen verschiedenen Bereichen tun.“

Metafluide vs. Feststoffe

Metamaterialien – technische Materialien, deren Eigenschaften eher durch ihre Struktur als durch ihre Zusammensetzung bestimmt werden – werden seit Jahren in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Aber die meisten Materialien – wie die bahnbrechenden metallischen Mineralien im Labor von Federico Capasso und Robert L. Wallace, ein leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter für Elektrotechnik an der Fenton Hayes School of Applied Sciences – sind solide.

Verstellbare Optik mit dem Logo der Harvard University unter der metafluoreszierenden Flüssigkeit. Bildnachweis: Harvard University SEAS

„Im Gegensatz zu solide Metamaterialien„Metaphorische Flüssigkeiten haben eine einzigartige Fähigkeit zu fließen und sich an die Form ihres Behälters anzupassen“, sagte Katia Bertoldi, William und Amy Cowan Danoff Professorin für Angewandte Mechanik am College of Applied Sciences und leitende Autorin des Artikels. „Unser Ziel war es, eine Metaflüssigkeit zu schaffen, die nicht nur diese großartigen Eigenschaften aufweist, sondern auch eine Plattform für programmierbare Viskosität, Kompressibilität und optische Eigenschaften bietet.“

Mithilfe einer hochskalierbaren Fertigungstechnologie, die im Labor von David A. entwickelt wurde. Weitz, Mallinckrodt-Professor für Physik und Angewandte Physik am SEAS, stellte das Forschungsteam Hunderttausende dieser hochverformbaren, luftgefüllten Kugelkapseln her und suspendierte sie in Silikonöl. . Wenn der Druck in der Flüssigkeit zunimmt, kollabieren die Kapseln und bilden eine linsenartige Halbkugel. Wenn dieser Druck wegfällt, nehmen die Kapseln wieder ihre Kugelform an.

Eigenschaften und Anwendungen von Metafluiden

Diese Umwandlung verändert mehrere Eigenschaften der Flüssigkeit, einschließlich Viskosität und Opazität. Diese Eigenschaften können durch Veränderung der Anzahl, Dicke und des Volumens der Kapseln in der Flüssigkeit angepasst werden.

Die Forscher demonstrierten die Programmierbarkeit der Flüssigkeit, indem sie die metaphysische Flüssigkeit in einen hydraulischen Robotergreifer geladen und den Greifer eine Flasche, ein Ei und eine Beere aufheben ließen. In einem einfachen herkömmlichen luft- oder wasserbetriebenen Hydrauliksystem bräuchte der Roboter eine Art externen Sensor oder eine externe Steuerung, um seinen Griff anzupassen und die drei Objekte aufzunehmen, ohne sie zu zerquetschen.

Bei Metafluid besteht jedoch keine Notwendigkeit für die Wahrnehmung. Die Flüssigkeit selbst reagiert auf unterschiedliche Drücke und ändert ihre Konformität, um die Kraft des Griffs so anzupassen, dass sie ohne zusätzliche Programmierung eine schwere Flasche, ein empfindliches Ei und eine kleine Beere aufnehmen kann.

„Wir haben gezeigt, dass wir diese Flüssigkeit nutzen können, um einem einfachen Roboter Intelligenz zu verleihen“, sagte Jalouli.

Das Team demonstrierte außerdem ein fluidisches Logikgatter, das durch Änderung der Metafluidik neu programmiert werden kann.

Optische Eigenschaften und Zustände von Flüssigkeiten

Metafluid verändert auch seine optischen Eigenschaften, wenn es unterschiedlichen Drücken ausgesetzt wird.

Wenn die Kapseln rund sind, streuen sie das Licht und machen die Flüssigkeit undurchsichtig, so wie Luftblasen kohlensäurehaltiges Wasser weiß erscheinen lassen. Wenn jedoch Druck ausgeübt wird und die Kapseln kollabieren, wirken sie wie winzige Linsen, die das Licht bündeln und die Flüssigkeit transparent machen. Diese optischen Eigenschaften können für eine Reihe von Anwendungen genutzt werden, beispielsweise für elektronische Tinten, die ihre Farbe je nach Druck ändern.

Die Forscher zeigten auch, dass sich das Metafluid bei kugelförmigen Kapseln wie eine Newtonsche Flüssigkeit verhält, was bedeutet, dass sich seine Viskosität nur als Reaktion auf die Temperatur ändert. Wenn die Kapseln jedoch kollabieren, verwandelt sich die Suspension in eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit, was bedeutet, dass sich ihre Viskosität als Reaktion auf die Scherkraft ändert – je größer die Scherkraft, desto flüssiger wird sie. Dies ist die erste Metaflüssigkeit, die nachweislich zwischen Newtonschen und nicht-Newtonschen Zuständen übergeht.

Als nächstes wollen die Forscher die akustischen und thermodynamischen Eigenschaften von Supraflüssigkeiten erforschen.

„Der Anwendungsbereich für diese skalierbaren, einfach herzustellenden Metafluide ist riesig“, sagte Bertoldi.

Referenz: „Shell Indentation for Programmable Metafluids“ von Adel Jalouli, Bert van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Goersen und Katja Bertoldi, 3. April 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07163-z

Das Office of Technology Development der Harvard University hat das mit dieser Forschung verbundene geistige Eigentum geschützt und prüft derzeit Möglichkeiten zur Kommerzialisierung.

Diese Forschung wurde teilweise von NSF durch den Zuschuss Nr. DMR-2011754 des Harvard University Materials Research Science and Engineering Center unterstützt.