Wir sind von genialen Substanzen umgeben: einer Auswahl an Metalllegierungen, die Reste oder Hautraketen einpacken können, Farben in allen erdenklichen Farben und sich ständig verändernden digitalen Displays. Praktisch alle davon nutzen die natürlichen Eigenschaften der zugrunde liegenden Materialien.

Aber eine neue Klasse von Materialien ist vielseitiger und sogar programmierbar.

Diese als Metamaterialien bekannten Substanzen werden sorgfältig so konstruiert, dass ihr struktureller Aufbau – im Gegensatz zu ihrer Zusammensetzung – ihre Eigenschaften bestimmt. Einige Metamaterialien könnten dazu führen Praktische drahtlose Energieübertragung über große Entfernungen, andere könnten mitbringen „Unsichtbarkeitsmäntel" oder futuristische Materialien, die auf Gehirnwellen reagieren.

Bei den meisten Beispielen handelt es sich jedoch um feste Metamaterialien – ein Harvard-Team fragte sich, ob sie ein Metafluid herstellen könnten. Wie sich herausstellt, ja, absolut. Das Team beschrieb seine Ergebnisse kürzlich in Natur.

„Im Gegensatz zu festen Metamaterialien haben Metaflüssigkeiten die einzigartige Fähigkeit zu fließen und sich an die Form ihres Behälters anzupassen“, sagt Katia Bertoldi, Professorin für angewandte Mechanik in Harvard und leitende Autorin des Artikels. sagte in einer Pressemitteilung. „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.“

Das Metafluid des Teams besteht aus Hunderttausenden winzigen, dehnbaren Kügelchen – jeweils mit einem Durchmesser von 50 bis 500 Mikrometern –, die in Öl suspendiert sind. Abhängig vom Druck des umgebenden Öls verändern die Kugeln ihre Form. Bei höherem Druck verformen sie sich, wobei eine Halbkugel nach innen in eine Art Halbmondform zusammenfällt. Nach Druckentlastung nehmen sie wieder ihre ursprüngliche Kugelform an.

Die Eigenschaften des Metafluids – wie z. B. Viskosität oder Opazität – ändern sich je nachdem, welche dieser Formen die Sphären, aus denen es besteht, annehmen. Die Eigenschaften der Flüssigkeit können fein abgestimmt werden, je nachdem, wie viele Kugeln sich in der Flüssigkeit befinden und wie groß oder dick sie sind.

Als Machbarkeitsnachweis füllte das Team einen hydraulischen Robotergreifer mit seinem Metafluid. Roboter müssen normalerweise so programmiert werden, dass sie Objekte erkennen und die Griffstärke anpassen. Das Team zeigte, dass sich der Greifer automatisch an eine Blaubeere, ein Glas und ein Ei anpassen kann, ohne dass zusätzliche Sensoren oder Programmierung erforderlich sind. Der Druck jedes Objekts „programmierte“ die Anpassung der Flüssigkeit, sodass der Greifer alle drei Objekte problemlos und unbeschädigt aufnehmen konnte.

Das Team zeigte auch, dass das Metafluid von undurchsichtig, wenn seine Bestandteile kugelförmig waren, zu transparenter, wenn sie kollabierten, wechseln konnte. Die letztere Form, so die Forscher, funktioniert wie eine Linse, die das Licht bündelt, während die erstere das Licht streut.

Bemerkenswert ist auch, dass sich das Metafluid wie eine Newtonsche Flüssigkeit verhält, wenn seine Komponenten kugelförmig sind, was bedeutet, dass sich seine Viskosität nur mit Temperaturänderungen ändert. Wenn sie jedoch kollabieren, wird es zu einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit, deren Viskosität sich abhängig von den vorhandenen Scherkräften ändert. Je größer die Scherkraft – also parallele Kräfte, die in entgegengesetzte Richtungen wirken – desto flüssiger wird das Metafluid.

Als nächstes wird das Team weitere Eigenschaften untersuchen – etwa wie sich die Akustik und Thermodynamik ihrer Kreation mit dem Druck verändert – und sich mit der Kommerzialisierung befassen. Die Herstellung der elastischen Kugeln selbst ist ziemlich einfach, und sie glauben, dass Metaflüssigkeiten wie ihres in Robotern, als „intelligente“ Stoßdämpfer oder in farbverändernden E-Tinten nützlich sein könnten.

„Der Anwendungsbereich für diese skalierbaren, einfach herzustellenden Metafluide ist riesig“, sagte Bertoldi.

Natürlich befindet sich die Gründung des Teams noch in der Forschungsphase. Es gibt noch viele Hürden zu überwinden, bevor es in Produkten auftaucht, die uns allen gefallen könnten. Dennoch trägt die Arbeit zu einer wachsenden Liste von Metamaterialien bei – und zeigt das Versprechen, von fest zu flüssig überzugehen.

Bild-Kredit: Adel Djellouli/Harvard SEAS

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• Quelle: https://singularityhub.com/2024/04/10/harvards-new-programmable-fluid-shifts-its-properties-on-demand/