Nous sommes entourés de substances ingénieuses : un menu d'alliages métalliques capables d'emballer des restes ou des fusées en peau, des peintures de toutes les couleurs imaginables et des affichages numériques en constante évolution. Pratiquement tous exploitent les propriétés naturelles des matériaux sous-jacents.

Mais une classe émergente de matériaux est plus polyvalente, voire programmable.

Connues sous le nom de métamatériaux, ces substances sont méticuleusement conçues de telle sorte que leur constitution structurelle, par opposition à leur composition, détermine leurs propriétés. Certains métamatériaux pourraient faire transfert d'énergie sans fil longue distance pratique, d’autres pourraient apporter”capes d'invisibilité" ou des matériaux futuristes qui répondent aux ondes cérébrales.

Mais la plupart des exemples sont des métamatériaux solides : une équipe de Harvard s’est demandée si elle pouvait fabriquer un métafluide. Il s’avère que oui, absolument. L'équipe a récemment décrit ses résultats dans Nature.

"Contrairement aux métamatériaux solides, les métafluides ont la capacité unique de s'écouler et de s'adapter à la forme de leur contenant", Katia Bertoldi, professeur de mécanique appliquée à Harvard et auteur principal de l'article, a déclaré dans un communiqué de presse. "Notre objectif était de créer un métafluide qui possède non seulement ces attributs remarquables, mais fournit également une plate-forme pour la viscosité, la compressibilité et les propriétés optiques programmables."

Le métafluide de l'équipe est constitué de centaines de milliers de petites sphères extensibles, mesurant chacune entre 50 et 500 microns de diamètre, en suspension dans le pétrole. Les sphères changent de forme en fonction de la pression de l’huile environnante. À des pressions plus élevées, ils se déforment, un hémisphère s’effondrant vers l’intérieur en une sorte de forme de demi-lune. Ils reprennent alors leur forme sphérique initiale lorsque la pression est relâchée.

Les propriétés du métafluide, telles que la viscosité ou l'opacité, changent en fonction de la forme que prennent ses sphères constitutives. Les propriétés du fluide peuvent être affinées en fonction du nombre de sphères contenues dans le liquide et de leur taille ou de leur épaisseur.

En guise de preuve de concept, l’équipe a rempli une pince robotisée hydraulique avec son métafluide. Les robots doivent généralement être programmés pour détecter les objets et ajuster la force de préhension. L’équipe a montré que la pince pouvait s’adapter automatiquement à une myrtille, un verre et un œuf sans détection ni programmation supplémentaire. La pression de chaque objet a « programmé » le liquide pour qu’il s’ajuste, permettant à la pince de saisir facilement les trois objets, sans les endommager.

L’équipe a également montré que le métafluide pouvait passer d’opaque lorsque ses constituants étaient sphériques à plus transparent lorsqu’ils s’effondraient. Selon les chercheurs, cette dernière forme fonctionne comme une lentille focalisant la lumière, tandis que la première diffuse la lumière.

Il convient également de noter que le métafluide se comporte comme un fluide newtonien lorsque ses composants sont sphériques, ce qui signifie que sa viscosité ne change qu'avec les changements de température. Cependant, lorsqu'ils s'effondrent, il devient un fluide non newtonien, où sa viscosité change en fonction des forces de cisaillement présentes. Plus la force de cisaillement est grande, c'est-à-dire des forces parallèles poussant dans des directions opposées, plus le métafluide devient liquide.

Ensuite, l'équipe étudiera des propriétés supplémentaires, telles que la façon dont l'acoustique et la thermodynamique de leur création changent avec la pression, et étudiera la commercialisation. Fabriquer les sphères élastiques elles-mêmes est assez simple, et ils pensent que des métafluides comme le leur pourraient être utiles dans les robots, comme amortisseurs « intelligents » ou dans les encres électroniques changeant de couleur.

"L'espace d'application de ces métafluides évolutifs et faciles à produire est énorme", a déclaré Bertoldi.

Bien entendu, la création de l’équipe est encore en phase de recherche. Il reste encore beaucoup d’obstacles à parcourir avant que cela apparaisse dans des produits que nous pourrions tous apprécier. Pourtant, ces travaux s’ajoutent à une liste croissante de métamatériaux et montrent la promesse de passer du solide au liquide.

Crédit image: Adel Djellouli/Harvard SEAS

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