04 april 2024 (Nanowerk Nyheter) Forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat en programmerbar metafluid med inställbar fjädring, optiska egenskaper, viskositet och till och med förmågan att övergå mellan en newtonsk och icke-newtonsk vätska. Den första i sitt slag metafluiden använder en suspension av små elastomerkulor - mellan 50 till 500 mikron - som bucklas under tryck, vilket radikalt förändrar vätskans egenskaper. Metavätskan skulle kunna användas i allt från hydrauliska ställdon till programmeringsrobotar, till intelligenta stötdämpare som kan avleda energi beroende på intensiteten i stöten, till optiska enheter som kan övergå från klar till ogenomskinlig. Forskningen är publicerad i Natur ("Skal buckling för programmerbara metafluids"). "Vi skrapar bara på ytan av vad som är möjligt med denna nya klass av vätskor", säger Adel Djellouli, en forskarassistent i materialvetenskap och maskinteknik vid SEAS och första författare till artikeln. "Med den här plattformen kan du göra så många olika saker inom så många olika områden."
Metamaterial — artificiellt framställda material vars egenskaper bestäms av deras struktur snarare än sammansättning — har använts i stor utsträckning i en rad olika tillämpningar i åratal. Men de flesta av materialen - som metallenses banbrytande i Federico Capassos labb, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik vid SEAS - är solida. "Till skillnad från solida metamaterial har metafluider den unika förmågan att flyta och anpassa sig till formen på sin behållare", säger Katia Bertoldi, William och Ami Kuan Danoff professor i tillämpad mekanik vid SEAS och senior författare till tidningen. "Vårt mål var att skapa en metafluid som inte bara har dessa anmärkningsvärda egenskaper utan också ger en plattform för programmerbar viskositet, kompressibilitet och optiska egenskaper." Med hjälp av en mycket skalbar tillverkningsteknik utvecklad i labbet av David A. Weitz, Mallinckrodt-professor i fysik och tillämpad fysik vid SEAS, producerade forskargruppen hundratusentals av dessa mycket deformerbara sfäriska kapslar fyllda med luft och suspenderade dem i silikonolja . När trycket inuti vätskan ökar kollapsar kapslarna och bildar en linsliknande halvsfär. När det trycket avlägsnas, poppar kapslarna tillbaka till sin sfäriska form.
När trycket avlägsnas från vätskan, poppar kapslarna tillbaka till sin sfäriska form. (Bild: Adel Djellouli, Harvard SEAS) Den övergången förändrar många av vätskans egenskaper, inklusive dess viskositet och opacitet. Dessa egenskaper kan justeras genom att ändra antalet, tjockleken och storleken på kapslarna i vätskan. Forskarna visade vätskans programmerbarhet genom att ladda metavätskan i en hydraulisk robotgripare och låta griparen plocka upp en glasflaska, ett ägg och ett blåbär. I ett traditionellt hydraulsystem som drivs av enkel luft eller vatten skulle roboten behöva någon form av avkänning eller extern kontroll för att kunna justera sitt grepp och plocka upp alla tre föremålen utan att krossa dem. Men med metavätskan behövs ingen avkänning. Vätskan själv reagerar på olika tryck och ändrar dess eftergivlighet för att justera kraften på griparen för att kunna plocka upp en tung flaska, ett känsligt ägg och ett litet blåbär, utan ytterligare programmering. "Vi visar att vi kan använda denna vätska för att ge intelligens till en enkel robot," sa Djellouli. Teamet visade också en fluidisk logikport som kan omprogrammeras genom att byta metafluid. Metavätskan ändrar också sina optiska egenskaper när den utsätts för ändrade tryck. När kapslarna är runda sprider de ljus, vilket gör vätskan ogenomskinlig, ungefär som luftbubblor får luftigt vatten att se vitt ut. Men när tryck appliceras och kapslarna kollapsar fungerar de som mikrolinser, fokuserar ljuset och gör vätskan transparent. Dessa optiska egenskaper kan användas för en rad applikationer, såsom e-bläck som ändrar färg baserat på tryck. Forskarna visade också att när kapslarna är sfäriska, beter sig metavätskan som en newtonsk vätska, vilket betyder att dess viskositet bara ändras som svar på temperaturen. Men när kapslarna kollapsar omvandlas suspensionen till en icke-Newtonsk vätska, vilket innebär att dess viskositet kommer att förändras som svar på skjuvkraften - ju större skjuvkraften är, desto mer flytande blir den. Detta är den första metavätskan som har visat sig övergå mellan Newtonska och icke-Newtonska tillstånd. Därefter siktar forskarna på att utforska metafluidens akustiska och termodynamiska egenskaper. "Ansökningsutrymmet för dessa skalbara, lättproducerade metafluider är enormt," sa Bertoldi.
När trycket avlägsnas från vätskan, poppar kapslarna tillbaka till sin sfäriska form. (Bild: Adel Djellouli, Harvard SEAS) Den övergången förändrar många av vätskans egenskaper, inklusive dess viskositet och opacitet. Dessa egenskaper kan justeras genom att ändra antalet, tjockleken och storleken på kapslarna i vätskan. Forskarna visade vätskans programmerbarhet genom att ladda metavätskan i en hydraulisk robotgripare och låta griparen plocka upp en glasflaska, ett ägg och ett blåbär. I ett traditionellt hydraulsystem som drivs av enkel luft eller vatten skulle roboten behöva någon form av avkänning eller extern kontroll för att kunna justera sitt grepp och plocka upp alla tre föremålen utan att krossa dem. Men med metavätskan behövs ingen avkänning. Vätskan själv reagerar på olika tryck och ändrar dess eftergivlighet för att justera kraften på griparen för att kunna plocka upp en tung flaska, ett känsligt ägg och ett litet blåbär, utan ytterligare programmering. "Vi visar att vi kan använda denna vätska för att ge intelligens till en enkel robot," sa Djellouli. Teamet visade också en fluidisk logikport som kan omprogrammeras genom att byta metafluid. Metavätskan ändrar också sina optiska egenskaper när den utsätts för ändrade tryck. När kapslarna är runda sprider de ljus, vilket gör vätskan ogenomskinlig, ungefär som luftbubblor får luftigt vatten att se vitt ut. Men när tryck appliceras och kapslarna kollapsar fungerar de som mikrolinser, fokuserar ljuset och gör vätskan transparent. Dessa optiska egenskaper kan användas för en rad applikationer, såsom e-bläck som ändrar färg baserat på tryck. Forskarna visade också att när kapslarna är sfäriska, beter sig metavätskan som en newtonsk vätska, vilket betyder att dess viskositet bara ändras som svar på temperaturen. Men när kapslarna kollapsar omvandlas suspensionen till en icke-Newtonsk vätska, vilket innebär att dess viskositet kommer att förändras som svar på skjuvkraften - ju större skjuvkraften är, desto mer flytande blir den. Detta är den första metavätskan som har visat sig övergå mellan Newtonska och icke-Newtonska tillstånd. Därefter siktar forskarna på att utforska metafluidens akustiska och termodynamiska egenskaper. "Ansökningsutrymmet för dessa skalbara, lättproducerade metafluider är enormt," sa Bertoldi.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64964.php
