04 avril 2024 (Actualités Nanowerk) Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé un métafluide programmable avec une élasticité, des propriétés optiques, une viscosité et même la capacité de transition entre un fluide newtonien et non newtonien. Le premier métafluide en son genre utilise une suspension de petites sphères d'élastomère – entre 50 et 500 microns – qui se déforment sous la pression, modifiant radicalement les caractéristiques du fluide. Le métafluide pourrait être utilisé dans tout, des actionneurs hydrauliques aux robots programmés, en passant par les amortisseurs intelligents capables de dissiper l'énergie en fonction de l'intensité de l'impact, jusqu'aux dispositifs optiques pouvant passer du clair à l'opaque. La recherche est publiée dans Nature (« Flambage de coque pour métafluides programmables »). "Nous ne faisons qu'effleurer la surface de ce qui est possible avec cette nouvelle classe de fluide", a déclaré Adel Djellouli, associé de recherche en science des matériaux et en génie mécanique à SEAS et premier auteur de l'article. « Avec cette seule plateforme, vous pourriez faire tellement de choses différentes dans tellement de domaines différents. »
Métamatériaux — des matériaux fabriqués artificiellement dont les propriétés sont déterminées par leur structure plutôt que par leur composition — sont largement utilisés dans une gamme d'applications depuis des années. Mais la plupart des matériaux – tels que les lentilles métalliques mises au point dans le laboratoire de Federico Capasso, professeur de physique appliquée Robert L. Wallace et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à SEAS – sont solides. "Contrairement aux métamatériaux solides, les métafluides ont la capacité unique de s'écouler et de s'adapter à la forme de leur contenant", a déclaré Katia Bertoldi, professeur William et Ami Kuan Danoff de mécanique appliquée à SEAS et auteur principal de l'article. "Notre objectif était de créer un métafluide qui possède non seulement ces attributs remarquables, mais qui fournit également une plate-forme pour la viscosité, la compressibilité et les propriétés optiques programmables." À l'aide d'une technique de fabrication hautement évolutive développée dans le laboratoire de David A. Weitz, professeur Mallinckrodt de physique et de physique appliquée à SEAS, l'équipe de recherche a produit des centaines de milliers de ces capsules sphériques hautement déformables remplies d'air et les a suspendues dans de l'huile de silicium. . Lorsque la pression à l’intérieur du liquide augmente, les capsules s’effondrent, formant une demi-sphère en forme de lentille. Lorsque cette pression est supprimée, les capsules reprennent leur forme sphérique.
Lorsque la pression est supprimée du fluide, les capsules reprennent leur forme sphérique. (Image : Adel Djellouli, Harvard SEAS) Cette transition modifie de nombreuses propriétés du liquide, notamment sa viscosité et son opacité. Ces propriétés peuvent être ajustées en modifiant le nombre, l’épaisseur et la taille des capsules dans le liquide. Les chercheurs ont démontré la programmabilité du liquide en chargeant le métafluide dans une pince robotisée hydraulique et en faisant en sorte que la pince prélève une bouteille en verre, un œuf et une myrtille. Dans un système hydraulique traditionnel alimenté simplement par de l'air ou de l'eau, le robot aurait besoin d'une sorte de détection ou de contrôle externe pour pouvoir ajuster sa prise et ramasser les trois objets sans les écraser. Mais avec le métafluide, aucune détection n’est nécessaire. Le liquide lui-même répond à différentes pressions, en changeant sa souplesse pour ajuster la force de la pince afin de pouvoir saisir une bouteille lourde, un œuf délicat et une petite myrtille, sans programmation supplémentaire. "Nous montrons que nous pouvons utiliser ce fluide pour doter d'intelligence un simple robot", a déclaré Djellouli. L’équipe a également démontré une porte logique fluidique qui peut être reprogrammée en changeant le métafluide. Le métafluide change également ses propriétés optiques lorsqu’il est exposé à des pressions changeantes. Lorsque les capsules sont rondes, elles diffusent la lumière, rendant le liquide opaque, un peu comme les bulles d'air font apparaître l'eau aérée en blanc. Mais lorsqu’une pression est appliquée et que les capsules s’effondrent, elles agissent comme des microlentilles, focalisant la lumière et rendant le liquide transparent. Ces propriétés optiques pourraient être utilisées pour diverses applications, telles que les encres électroniques qui changent de couleur en fonction de la pression. Les chercheurs ont également montré que lorsque les capsules sont sphériques, le métafluide se comporte comme un fluide newtonien, c'est-à-dire que sa viscosité ne change qu'en réponse à la température. Cependant, lorsque les capsules s'effondrent, la suspension se transforme en un fluide non newtonien, ce qui signifie que sa viscosité changera en réponse à la force de cisaillement : plus la force de cisaillement est grande, plus elle devient fluide. Il s’agit du premier métafluide dont il a été démontré qu’il effectue une transition entre les états newtonien et non newtonien. Les chercheurs visent ensuite à explorer les propriétés acoustiques et thermodynamiques du métafluide. "L'espace d'application de ces métafluides évolutifs et faciles à produire est énorme", a déclaré Bertoldi.
Lorsque la pression est supprimée du fluide, les capsules reprennent leur forme sphérique. (Image : Adel Djellouli, Harvard SEAS) Cette transition modifie de nombreuses propriétés du liquide, notamment sa viscosité et son opacité. Ces propriétés peuvent être ajustées en modifiant le nombre, l’épaisseur et la taille des capsules dans le liquide. Les chercheurs ont démontré la programmabilité du liquide en chargeant le métafluide dans une pince robotisée hydraulique et en faisant en sorte que la pince prélève une bouteille en verre, un œuf et une myrtille. Dans un système hydraulique traditionnel alimenté simplement par de l'air ou de l'eau, le robot aurait besoin d'une sorte de détection ou de contrôle externe pour pouvoir ajuster sa prise et ramasser les trois objets sans les écraser. Mais avec le métafluide, aucune détection n’est nécessaire. Le liquide lui-même répond à différentes pressions, en changeant sa souplesse pour ajuster la force de la pince afin de pouvoir saisir une bouteille lourde, un œuf délicat et une petite myrtille, sans programmation supplémentaire. "Nous montrons que nous pouvons utiliser ce fluide pour doter d'intelligence un simple robot", a déclaré Djellouli. L’équipe a également démontré une porte logique fluidique qui peut être reprogrammée en changeant le métafluide. Le métafluide change également ses propriétés optiques lorsqu’il est exposé à des pressions changeantes. Lorsque les capsules sont rondes, elles diffusent la lumière, rendant le liquide opaque, un peu comme les bulles d'air font apparaître l'eau aérée en blanc. Mais lorsqu’une pression est appliquée et que les capsules s’effondrent, elles agissent comme des microlentilles, focalisant la lumière et rendant le liquide transparent. Ces propriétés optiques pourraient être utilisées pour diverses applications, telles que les encres électroniques qui changent de couleur en fonction de la pression. Les chercheurs ont également montré que lorsque les capsules sont sphériques, le métafluide se comporte comme un fluide newtonien, c'est-à-dire que sa viscosité ne change qu'en réponse à la température. Cependant, lorsque les capsules s'effondrent, la suspension se transforme en un fluide non newtonien, ce qui signifie que sa viscosité changera en réponse à la force de cisaillement : plus la force de cisaillement est grande, plus elle devient fluide. Il s’agit du premier métafluide dont il a été démontré qu’il effectue une transition entre les états newtonien et non newtonien. Les chercheurs visent ensuite à explorer les propriétés acoustiques et thermodynamiques du métafluide. "L'espace d'application de ces métafluides évolutifs et faciles à produire est énorme", a déclaré Bertoldi.
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