Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали программируемую метафлюид с регулируемой упругостью, оптическими свойствами, вязкостью и даже способностью переходить из ньютоновской в неньютоновскую жидкость.

В первой в своем роде жидкости metafluid используется суспензия из небольших эластомерных сфер размером от 50 до 500 микрон, которые деформируются под давлением, радикально изменяя характеристики жидкости. Метафлюид может быть использован во всем — от гидравлических приводов до программируемых роботов, интеллектуальных амортизаторов, которые могут рассеивать энергию в зависимости от интенсивности удара, до оптических устройств, которые могут изменять цвет от прозрачного до непрозрачного.

Метаматериалы — искусственно сконструированные материалы, свойства которых определяются их структурой, а не составом, — уже много лет широко используются в самых разных областях применения. Но большинство материалов, таких как металлинзы, впервые разработанные в лаборатории Федерико Капассо, Роберта Л. Уоллеса, профессора прикладной физики, и Винтона Хейса, старшего научного сотрудника по электротехнике в SEAS, являются твердыми.

В отличие от твердых метаматериалов, метафлюиды обладают уникальной способностью течь и приспосабливаться к форме своего контейнера. Целью авторов исследования было создать метафлюид, который не только обладает этими замечательными свойствами, но и обеспечивает платформу для программируемой вязкости, сжимаемости и оптических свойств.

Используя высокомасштабируемую технологию изготовления, разработанную в лаборатории Дэвида А. Вайца, профессора физики и прикладной физики в Маллинкродте, исследовательская группа изготовила сотни тысяч таких высокодеформируемых сферических капсул, наполненных воздухом, и подвесила их в силиконовом масле. Когда давление внутри жидкости увеличивается, капсулы сжимаются, образуя линзообразную полусферу. Когда давление уменьшается, капсулы возвращаются к своей сферической форме.

Когда давление жидкости снижается, капсулы возвращаются к своей сферической форме. (Автор: Адель Джеллули/Harvard SEAS)

Этот переход изменяет многие свойства жидкости, в том числе ее вязкость и непрозрачность. Эти свойства можно регулировать, изменяя количество, толщину и размер капсул в жидкости.

Ученые продемонстрировали программируемость жидкости, загрузив метафлюид в гидравлический роботизированный захват и попросив его взять стеклянную бутылку, яйцо и ягоду черники. В традиционной гидравлической системе, работающей на простом воздушном или водяном топливе, роботу потребовался бы какой-то датчик или внешнее управление, чтобы он мог регулировать захват и поднимать все три предмета, не сминая их.

Но в случае с метфлюидом сенсорика не требуется. Жидкость сама реагирует на различные давления, изменяя свою податливость, чтобы регулировать усилие захвата, позволяющее взять тяжелую бутылку, нежное яйцо или небольшую ягоду черники без дополнительного программирования.

Команда также продемонстрировала жидкостный логический элемент, который можно перепрограммировать, изменив метафлюид.

Метафлюид также изменяет свои оптические свойства под воздействием изменяющегося давления.

Метафлюид поверх логотипа Гарварда. (Автор: Адель Джеллули/Harvard SEAS)

Круглые капсулы рассеивают свет, делая жидкость непрозрачной, подобно тому, как пузырьки воздуха придают газированной воде белый оттенок. Но когда на капсулы оказывается давление и они разрушаются, они действуют как микролинзы, фокусируя свет и делая жидкость прозрачной. Эти оптические свойства могут быть использованы для различных применений, таких как электронные чернила, которые меняют цвет в зависимости от давления.

Исследователи также показали, что когда капсулы имеют сферическую форму, метафлюид ведет себя как ньютоновская жидкость, то есть его вязкость меняется только в зависимости от температуры. Однако, когда капсулы разрушаются, суспензия превращается в неньютоновскую жидкость, а это означает, что ее вязкость будет изменяться в ответ на усилие сдвига — чем больше усилие сдвига, тем более текучей она становится. Это первая метафлюидность, которая, как было показано, переходит из ньютоновского в неньютоновское состояние.

Далее исследователи намерены изучить акустические и термодинамические свойства метафлюидов.