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Harvard-Forscher haben ein vielseitiges programmierbares Metafluid entwickelt, das seine Eigenschaften, einschließlich Viskosität und optischer Transparenz, als Reaktion auf Druck ändern kann. Diese neue Flüssigkeitsklasse hat potenzielle Anwendungen in der Robotik, in optischen Geräten und in der Energiedissipation und stellt einen bedeutenden Durchbruch in der Metamaterialtechnologie dar. (Konzept des Künstlers). Bildnachweis: SciTechDaily.com
Wissenschaftler haben ein Metafluid mit programmierbarer Reaktion entwickelt.
Wissenschaftler der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben ein programmierbares Metafluid mit einstellbarer Federung, optischen Eigenschaften, Viskosität und sogar der Fähigkeit zum Übergang zwischen einer Newtonschen und einer Nicht-Newtonschen Flüssigkeit entwickelt.
Das erste Metafluid seiner Art verwendet eine Suspension kleiner Elastomerkügelchen – zwischen 50 und 500 Mikrometer –, die sich unter Druck verbiegen und die Eigenschaften des Fluids radikal verändern. Das Metafluid könnte in allem eingesetzt werden, von hydraulischen Aktuatoren bis hin zu Programmierrobotern, intelligenten Stoßdämpfern, die je nach Intensität des Aufpralls Energie abbauen können, bis hin zu optischen Geräten, die von klar zu undurchsichtig wechseln können.
Die Forschung ist veröffentlicht in Natur.
„Wir kratzen gerade erst an der Oberfläche dessen, was mit dieser neuen Klasse von Flüssigkeiten möglich ist“, sagte Adel Djellouli, wissenschaftlicher Mitarbeiter für Materialwissenschaften und Maschinenbau am SEAS und Erstautor des Artikels. „Mit dieser einen Plattform könnte man so viele verschiedene Dinge in so vielen verschiedenen Bereichen tun.“
Metafluide vs. feste Metamaterialien
Metamaterialien – künstlich hergestellte 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 Metallarten, die im Labor von Federico Capasso, Robert L. Wallace-Professor für Angewandte Physik und Vinton Hayes Senior Research Fellow für Elektrotechnik am SEAS, entwickelt wurden – sind solide.
Abstimmbare Optik mit einem Harvard-Logo unter dem Metafluid. Bildnachweis: Harvard SEAS
„Im Gegensatz zu solide Metamaterialien„Metaflüssigkeiten haben die einzigartige Fähigkeit zu fließen und sich an die Form ihres Behälters anzupassen“, sagte Katia Bertoldi, William und Ami Kuan Danoff Professorin für Angewandte Mechanik am SEAS und leitende Autorin des Artikels. „Unser Ziel war es, ein Metafluid zu schaffen, das nicht nur diese bemerkenswerten Eigenschaften besitzt, sondern auch eine Plattform für programmierbare Viskosität, Kompressibilität und optische Eigenschaften bietet.“
Mithilfe einer hochskalierbaren Herstellungstechnik, die im Labor von David A. Weitz, Mallinckrodt-Professor für Physik und Angewandte Physik am SEAS, entwickelt wurde, stellte das Forschungsteam Hunderttausende dieser hochverformbaren, mit Luft gefüllten 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 des Metafluids
Dieser Übergang verändert viele Eigenschaften der Flüssigkeit, einschließlich ihrer Viskosität und Opazität. Diese Eigenschaften können durch Ändern der Anzahl, Dicke und Größe der Kapseln in der Flüssigkeit angepasst werden.
Die Forscher demonstrierten die Programmierbarkeit der Flüssigkeit, indem sie das Metafluid in einen hydraulischen Robotergreifer geladen und den Greifer eine Glasflasche, ein Ei und eine Blaubeere aufheben ließen. In einem herkömmlichen Hydrauliksystem, das einfach mit Luft oder Wasser betrieben wird, bräuchte der Roboter eine Art Sensorik oder externe Steuerung, um seinen Griff anzupassen und alle drei Objekte aufzunehmen, ohne sie zu zerquetschen.
Aber mit dem Metafluid ist keine Wahrnehmung erforderlich. Die Flüssigkeit selbst reagiert auf unterschiedliche Drücke und ändert ihre Nachgiebigkeit, um die Kraft des Greifers so anzupassen, dass er ohne zusätzliche Programmierung eine schwere Flasche, ein empfindliches Ei und eine kleine Blaubeere aufnehmen kann.
„Wir zeigen, dass wir diese Flüssigkeit nutzen können, um einem einfachen Roboter Intelligenz zu verleihen“, sagte Djellouli.
Das Team demonstrierte außerdem ein fluidisches Logikgatter, das durch Ändern des Metafluids neu programmiert werden kann.
Optische Eigenschaften und Fluidzustände
Das Metafluid verändert auch seine optischen Eigenschaften, wenn es wechselnden Drücken ausgesetzt wird.
Wenn die Kapseln rund sind, streuen sie das Licht und machen die Flüssigkeit undurchsichtig, ähnlich wie Luftblasen kohlensäurehaltiges Wasser weiß erscheinen lassen. Wenn jedoch Druck ausgeübt wird und die Kapseln kollabieren, wirken sie wie Mikrolinsen, bündeln das Licht und machen die Flüssigkeit transparent. Diese optischen Eigenschaften könnten für eine Reihe von Anwendungen genutzt werden, beispielsweise für E-Tinten, die je nach Druck ihre Farbe 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 das erste Metafluid, das nachweislich zwischen Newtonschen und nicht-Newtonschen Zuständen übergeht.
Als nächstes wollen die Forscher die akustischen und thermodynamischen Eigenschaften des Metafluids untersuchen.
„Der Anwendungsbereich für diese skalierbaren, einfach herzustellenden Metafluide ist riesig“, sagte Bertoldi.
Referenz: „Shell buckling for programmable metafluids“ von Adel Djellouli, Bert Van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Gorissen und Katia Bertoldi, 3. April 2024, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-024-07163-z
Das Harvard Office of Technology Development hat das mit dieser Forschung verbundene geistige Eigentum geschützt und prüft derzeit Möglichkeiten zur Kommerzialisierung.
Die Forschung wurde teilweise von der NSF durch das Stipendium DMR-2011754 des Harvard University Materials Research Science and Engineering Center unterstützt.