Gli scienziati hanno sviluppato un metafluido con una risposta programmabile.

Gli scienziati della John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) di Harvard hanno sviluppato un fluido metafluidico programmabile che ha elasticità, proprietà ottiche, viscosità e persino la capacità di transizione tra fluidi newtoniani e non newtoniani.

Il liquido metafluorescente, primo nel suo genere, utilizza una sospensione di minuscole sfere di gomma – tra 50 e 500 micron – che si deformano sotto pressione, modificando radicalmente le proprietà del liquido. Metafluid può essere utilizzato in qualsiasi cosa, dagli attuatori idraulici ai robot programmabili, agli ammortizzatori intelligenti che possono dissipare l'energia in base alla gravità dell'impatto, ai dispositivi ottici che possono passare da trasparente a scuro.

La ricerca è pubblicata in natura.

“Stiamo solo scalfindo la superficie di ciò che è possibile fare con questa nuova classe di fluidi”, ha affermato Adel Jalouli, ricercatore associato in scienza dei materiali e ingegneria meccanica presso la SEAS e primo autore dell’articolo. “Con questa piattaforma puoi fare molte cose diverse in molte aree diverse.”

Metafluidi vs metamateriali solidi

I metamateriali – materiali prodotti artificialmente le cui proprietà sono determinate dalla loro struttura piuttosto che dalla composizione – sono ampiamente utilizzati da anni in una varietà di applicazioni. Ma la maggior parte dei materiali, come le lenti metalliche sviluppate nel laboratorio di Federico Capasso, Robert L. Wallace, ricercatore senior in ingegneria elettrica presso la SEAS University, è potente.

Ottica regolabile con il logo dell'Università di Harvard visualizzato sotto il fluido metafluorescente. Credito: SEAS dell'Università di Harvard

“A differenza del solido metamateriali“I metafluidi hanno una capacità unica di fluire e adattarsi alla forma del loro contenitore”, ha affermato Katja Bertoldi, professoressa di meccanica applicata presso la Scuola di Scienze Applicate della SEAS University e autrice principale dell'articolo. “Il nostro obiettivo era creare un metafluido che non solo possedesse questi grandi attributi, ma fornisse anche una piattaforma per viscosità, comprimibilità e proprietà ottiche programmabili”.

Utilizzando una tecnologia di produzione altamente scalabile sviluppata nel laboratorio di David A. Weitz, professore di fisica e fisica applicata al SEAS, il gruppo di ricerca ha prodotto centinaia di migliaia di queste capsule sferiche riempite d'aria altamente deformabili e le ha sospese in olio di silicone. . Quando la pressione all'interno del liquido aumenta, le capsule collassano per formare un emisfero a forma di lente. Quando questa pressione viene rimossa, le capsule ritornano alla loro forma sferica.

Proprietà e applicazioni metafluidiche

Questa trasformazione modifica diverse proprietà del fluido, tra cui la viscosità e l'opacità. Queste proprietà possono essere modificate modificando il numero, lo spessore e il volume delle capsule nel liquido.

I ricercatori hanno dimostrato la programmabilità del fluido caricando il metafluido in una pinza robotica idraulica e facendo in modo che la pinza prendesse una bottiglia, un uovo e una bacca. In un sistema idraulico tradizionale azionato semplicemente da aria o acqua, il robot avrebbe bisogno di una sorta di sensore o controllo esterno per poter regolare la presa e raccogliere i tre oggetti senza schiacciarli.

Ma con metafluid non è necessario il rilevamento. Il fluido stesso risponde a diverse pressioni, modificando la sua elasticità per regolare la forza del manico in modo da poter afferrare una bottiglia pesante, un uovo delicato e una piccola bacca, senza ulteriore programmazione.

“Abbiamo dimostrato che possiamo usare questo fluido per fornire intelligenza a un semplice robot”, ha detto Jalouli.

Il team ha anche dimostrato una porta logica fluidica che può essere riprogrammata modificando la metafluidica.

Proprietà ottiche e stati dei liquidi

Metafluid cambia anche le sue proprietà ottiche se 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 gassata. Ma quando viene applicata la pressione e le capsule collassano, si comportano come minuscole lenti, focalizzando la luce e rendendo il liquido trasparente. Queste proprietà ottiche possono essere utilizzate in varie applicazioni, come gli inchiostri elettronici che cambiano colore a seconda della pressione.

I ricercatori hanno anche dimostrato che quando le capsule sono sferiche, il superfluido si comporta come un fluido newtoniano, cioè 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. È il primo metafluido che mostra la transizione tra stati newtoniani e non newtoniani.

I ricercatori mirano quindi a esplorare le proprietà acustiche e termodinamiche dei fluidi metastatici.

“Lo spazio applicativo per questi metafluidi scalabili e facili da produrre è enorme”, ha affermato Bertoldi.

L'Ufficio per lo sviluppo tecnologico dell'Università di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale associata a questa ricerca e sta esplorando opportunità di commercializzazione.

La ricerca è stata in parte finanziata dalla NSF attraverso la sovvenzione n. DMR-2011754 del Centro per la ricerca, scienza e ingegneria dei materiali dell’Università di Harvard.