Инженеры Гарварда создали странную новую «метажидкость» — жидкость, которую можно запрограммировать на изменение свойств, таких как ее сжимаемость, прозрачность, вязкость и даже то, является ли она ньютоновской или нет.
Большинство материалов получают свои свойства (насколько они твердые, блестящие или какого цвета) от того, из чего они сделаны, но метаматериалы получают свои свойства от тщательно разработанных структур, состоящих из небольших компонентов. Форма, размер и расположение этих небольших компонентов позволяют манипулировать электромагнитными волнами, улучшая такие вещи, как звукоизоляция, генераторы электричества или даже плащи-невидимки или поверхности ультразвуковой левитации.
В новом исследовании исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS) решили вместо этого применить этот принцип к жидкостям.
«В отличие от твердых метаматериалов, метажидкости обладают уникальной способностью течь и адаптироваться к форме своего контейнера», — сказала Катя Бертольди, старший автор исследования. «Наша цель состояла в том, чтобы создать метажидкость, которая не только обладала бы этими замечательными свойствами, но также обеспечивала бы платформу для программируемой вязкости, сжимаемости и оптических свойств».
На этом изображении показано, как суспендированные сферы меняют форму, что придает метажидкости программируемость. Фото: Adel Djellouli/Harvard SEAS
В этом случае небольшие компоненты метажидкости представляют собой наполненные воздухом эластомерные сферы шириной от 50 до 500 микрон, которые суспендированы в силиконовом масле. Эти крошечные шарики сплющиваются под давлением и "выхлопываются" обратно, когда давление будет снято, и эти два разных состояния изменяют свойства метажидкости.
Так, например, когда шарики имеют полную круглую форму, они рассеивают свет, из-за чего жидкость выглядит непрозрачной. Но под давлением, когда они схлопываются в форму полумесяца, они действуют как крошечные линзы, фокусируя свет и делая метажидкость прозрачной. Это, по словам команды, означает, что они могут быть полезны в качестве электронных чернил, меняющих цвет.
В другом тесте исследователи использовали метажидкость в качестве гидравлической среды в роботизированном захвате. Поскольку метажидкость может автоматически реагировать на различное давление, она регулирует силу захвата, позволяя захватывать разные объекты – в данном случае бутылку, яйцо и чернику – не повреждая их. Обычно гидравлической системе, работающей на воде или воздухе, требуются датчики или внешние элементы управления, чтобы регулировать силу захвата в зависимости от поднимаемого объекта.
Метажидкость может переключаться между непрозрачным и прозрачным состоянием по требованию. Фото: Adel Djellouli/Harvard SEAS
Метажидкость также может переключаться между ньютоновскими и неньютоновскими жидкостями. Когда капсулы имеют сферическую форму, они ньютоновские, то есть их вязкость меняется только в зависимости от температуры, подобно воде, но когда они сплющиваются, они становятся неньютоновскими, то есть меняют вязкость в ответ на силу сдвига, действуя больше как томатный соус.
Исследователи говорят, что области применения такого рода метажидкостей чрезвычайно разнообразны. Помимо упомянутых выше примеров, можно также использовать амортизаторы, рассеивающие энергию в зависимости от интенсивности удара, или логические вентили в жидкостных компьютерах. Различные рецепты метажидкости могут придавать ей разные диапазоны свойств, регулируя количество, толщину и размеры суспендированных капсул.
В будущей работе команда планирует исследовать акустические и термодинамические свойства метажидкости.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Источник: Harvard SEAS
