I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato un metafluido programmabile con elasticità regolabile, proprietà ottiche, viscosità e persino la capacità di transizione tra un fluido newtoniano e uno non newtoniano.
Il metafluido, primo nel suo genere, utilizza una sospensione di piccole sfere di elastomero, tra 50 e 500 micron, che si deformano sotto pressione, modificando radicalmente le caratteristiche del fluido. Il metafluido potrebbe essere utilizzato in qualsiasi cosa, dagli attuatori idraulici ai robot di programmazione, agli ammortizzatori intelligenti che possono dissipare energia a seconda dell'intensità dell'impatto, ai dispositivi ottici che possono passare da trasparenti a opachi.
La ricerca è pubblicata su Nature .
"Stiamo solo grattando la superficie di ciò che è possibile fare con questa nuova classe di fluidi", ha affermato Adel Djellouli, ricercatore associato in scienza dei materiali e ingegneria meccanica presso la SEAS e primo autore dell'articolo. "Con questa piattaforma, potresti fare tante cose diverse in tanti campi diversi."
I metamateriali – materiali ingegnerizzati artificialmente le cui proprietà sono determinate dalla loro struttura piuttosto che dalla composizione – sono ampiamente utilizzati da anni in una vasta gamma di applicazioni. Ma la maggior parte dei materiali, come i metalensi sperimentati nel laboratorio di Federico Capasso, Robert L. Wallace Professore di Fisica Applicata e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Ingegneria Elettrica presso la SEAS, sono solidi.
"A differenza dei metamateriali solidi, i metafluidi hanno la capacità unica di fluire e adattarsi alla forma del loro contenitore", hanno affermato Katia Bertoldi, William e Ami Kuan Danoff Professore di Meccanica Applicata presso la SEAS e autore senior dell'articolo. "Il nostro obiettivo era creare un metafluido che non solo possedesse questi straordinari attributi, ma fornisse anche una piattaforma per viscosità, comprimibilità e proprietà ottiche programmabili."
Utilizzando una tecnica di fabbricazione altamente scalabile sviluppata nel laboratorio di David A. Weitz, professore di fisica e di fisica applicata a Mallinckrodt presso la SEAS, il gruppo di ricerca ha prodotto centinaia di migliaia di queste capsule sferiche altamente deformabili riempite d'aria e le ha sospese in olio di silicone. . Quando la pressione all'interno del liquido aumenta, le capsule collassano, formando una semisfera a forma di lente. Quando tale pressione viene rimossa, le capsule ritornano alla loro forma sferica.
Questa transizione modifica molte delle proprietà del liquido, comprese la sua viscosità e opacità. Queste proprietà possono essere regolate modificando il numero, lo spessore e la dimensione delle capsule nel liquido.
I ricercatori hanno dimostrato la programmabilità del liquido caricando il metafluido in una pinza robotica idraulica e facendo in modo che la pinza prendesse una bottiglia di vetro, un uovo e un mirtillo. In un sistema idraulico tradizionale alimentato semplicemente da aria o acqua, il robot avrebbe bisogno di qualche tipo di rilevamento o controllo esterno per poter regolare la presa e raccogliere tutti e tre gli oggetti senza schiacciarli.
Ma con il metafluido non è necessario alcun rilevamento. Il liquido stesso risponde a pressioni diverse, modificando la sua cedevolezza per regolare la forza della pinza in modo da poter sollevare una bottiglia pesante, un uovo delicato e un piccolo mirtillo, senza alcuna programmazione aggiuntiva.
"Dimostriamo che possiamo utilizzare questo fluido per dotare di intelligenza un semplice robot", ha affermato Djellouli.
Il team ha anche dimostrato una porta logica fluidica che può essere riprogrammata modificando il metafluido.
Il metafluido cambia anche le sue proprietà ottiche quando esposto a pressioni variabili.
Quando le capsule sono rotonde, diffondono la luce, rendendo il liquido opaco, proprio come le bolle d'aria fanno apparire bianca l'acqua aerata. Ma quando viene applicata la pressione e le capsule collassano, agiscono come microlenti, focalizzando la luce e rendendo il liquido trasparente. Queste proprietà ottiche potrebbero essere utilizzate per una vasta gamma di applicazioni, come gli inchiostri elettronici che cambiano colore in base alla pressione.
I ricercatori hanno anche dimostrato che quando le capsule sono sferiche, il metafluido si comporta come un fluido newtoniano, ovvero la sua viscosità cambia solo in risposta alla temperatura. Tuttavia, quando le capsule collassano, la sospensione si trasforma in un fluido non newtoniano, il che significa che la sua viscosità cambierà in risposta alla forza di taglio:maggiore è la forza di taglio, più fluida diventa. Questo è il primo metafluido che ha dimostrato di effettuare la transizione tra gli stati newtoniani e non newtoniani.
Successivamente, i ricercatori mirano a esplorare le proprietà acustiche e termodinamiche del metafluido.
"Lo spazio applicativo per questi metafluidi scalabili e facili da produrre è enorme", ha affermato Bertoldi.
L'Ufficio per lo sviluppo tecnologico di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale associata a questa ricerca e sta esplorando opportunità di commercializzazione.
Ulteriori informazioni: Katia Bertoldi, Instabilità di conchiglie per metafluidi programmabili, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07163-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07163-z
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dalla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
