I ricercatori di Harvard hanno creato un fluido epitassiale versatile e programmabile in grado di modificare le sue proprietà, tra cui la viscosità e la trasparenza ottica, in risposta alla pressione. Questa nuova classe di fluidi ha potenziali applicazioni nella robotica, nei dispositivi ottici e nella dissipazione di energia, offrendo un importante passo avanti nella tecnologia dei metamateriali. (Concetto dell'artista). Credito: SciTechDaily.com

Gli scienziati hanno sviluppato un metafluido con una risposta programmabile.

Gli scienziati della John A. La Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) di Harvard ha sviluppato un fluido metafluidico programmabile con elasticità regolabile, 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 flettono sotto pressione, modificando radicalmente le proprietà del liquido. Metafluidic può essere utilizzato in qualsiasi cosa, dagli attuatori idraulici ai robot programmabili, agli ammortizzatori intelligenti che possono dissipare energia a seconda della gravità dell'impatto, ai dispositivi ottici che possono passare da trasparenti a opachi.

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 Solidi

I metamateriali – materiali ingegnerizzati 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 minerali metallici pionieristici nel laboratorio di Federico Capasso e Robert L. Wallace, ricercatore senior in ingegneria elettrica presso la Fenton Hayes School of Applied Sciences – sono solidi.

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 fluidi metaforici hanno una capacità unica di fluire e adattarsi alla forma del loro contenitore”, ha affermato Katia Bertoldi, professoressa di meccanica applicata William e Amy Cowan Danoff presso il College of Applied Sciences e autrice senior dell'articolo. “Il nostro obiettivo era quello di creare un metafluido che non solo avesse 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 fluido 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 dei metafluidi

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

I ricercatori hanno dimostrato la programmabilità del fluido caricando il fluido metafisico in una pinza robotica idraulica e facendo in modo che la pinza prendesse una bottiglia, un uovo e una bacca. In un semplice sistema idraulico tradizionale alimentato ad aria o ad 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 pressioni diverse, modificando la sua conformità per regolare la forza della maniglia in modo da poter sollevare una bottiglia pesante, un uovo delicato e una piccola bacca, senza ulteriore programmazione.

“Abbiamo dimostrato che possiamo usare questo fluido per dare 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 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 dei superfluidi.

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

Riferimento: “Shell Indentation for Programmable Metafluids” di Adel Jalouli, Bert van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Goersen e Katja Bertoldi, 3 aprile 2024, natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07163-z

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

Questa ricerca è stata supportata in parte dalla NSF attraverso il Centro di scienza e ingegneria per la ricerca sui materiali dell'Università di Harvard, sovvenzione n. DMR-2011754.