Los científicos han desarrollado un metafluido con respuesta programable.

Los científicos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard han desarrollado un metafluido programable con elasticidad ajustable, propiedades ópticas, viscosidad e incluso la capacidad de realizar una transición entre un fluido newtoniano y no newtoniano.

El metafluido sin precedentes utiliza una suspensión de pequeñas esferas de elastómero -entre 50 y 500 micrones- que se doblan bajo presión, cambiando radicalmente las características del fluido. Metafluid se puede utilizar en todo, desde actuadores hidráulicos hasta robots de programación, amortiguadores inteligentes que pueden disipar energía dependiendo de la intensidad del impacto y dispositivos ópticos que pueden pasar de transparentes a opacos.

La investigación se publica en Naturaleza.

«Estamos apenas arañando la superficie de lo que es posible con esta nueva clase de fluido», dijo Adel Djellouli, investigador asociado en ciencia de materiales e ingeniería mecánica en SEAS y primer autor del artículo. «Con esta plataforma, se pueden hacer muchas cosas diferentes en muchos campos diferentes».

Metafluidos vs. Metamateriales sólidos

Los metamateriales (materiales diseñados artificialmente cuyas propiedades están determinadas por su estructura más que por su composición) se han utilizado ampliamente en una variedad de aplicaciones durante años. Pero la mayoría de los materiales, como los metalenses pioneros en el laboratorio de Federico Capasso, profesor Robert L. Wallace de Física Aplicada y Vinton Hayes investigador principal en ingeniería eléctrica en SEAS, son sólidos.

Óptica ajustable con el logotipo de Harvard mostrado debajo del metafluido. Crédito: MARES de Harvard

“A diferencia del sólido metamateriales, los metafluidos tienen la capacidad única de fluir y adaptarse a la forma de su contenedor”, dijo Katia Bertoldi, profesora de Mecánica Aplicada William y Ami Kuan Danoff en SEAS y autora principal del artículo. «Nuestro objetivo era crear un metafluido que no solo posea estos notables atributos, sino que también proporcione una plataforma para viscosidad, compresibilidad y propiedades ópticas programables».

Utilizando una técnica de fabricación altamente escalable desarrollada en el laboratorio de David A. Weitz, profesor Mallinckrodt de Física y Física Aplicada en SEAS, el equipo de investigación produjo cientos de miles de estas cápsulas esféricas llenas de aire altamente deformables y las suspendieron en aceite. de silicio. . Cuando aumenta la presión dentro del líquido, las cápsulas colapsan, formando una semiesfera similar a una lente. Cuando se elimina esta presión, las cápsulas vuelven a su forma esférica.

Propiedades y aplicaciones de Metafluido

Esta transición cambia muchas de las propiedades del líquido, incluidas su viscosidad y opacidad. Estas propiedades se pueden ajustar cambiando la cantidad, el grosor y el tamaño de las cápsulas en el líquido.

Los investigadores demostraron la programabilidad del líquido cargando el metafluido en una pinza robótica hidráulica y haciendo que la pinza recogiera una botella de vidrio, un huevo y un arándano. En un sistema hidráulico tradicional impulsado por aire o agua, el robot necesitaría algún tipo de sensor o control externo para poder ajustar su agarre y recoger los tres objetos sin aplastarlos.

Pero con el metafluido no se requiere detección. El líquido en sí responde a diferentes presiones, cambiando su cumplimiento para ajustar la fuerza de la abrazadera para que pueda levantar una botella pesada, un huevo delicado y un arándano pequeño, sin programación adicional.

«Hemos demostrado que podemos utilizar este fluido para dotar de inteligencia a un robot sencillo», afirma Djellouli.

El equipo también demostró una puerta lógica fluídica que se puede reprogramar cambiando el metafluido.

Propiedades ópticas y estados fluidos.

El metafluido también cambia sus propiedades ópticas cuando se expone a cambios de presión.

Cuando las cápsulas son redondas, dispersan la luz, haciendo que el líquido se vuelva opaco, del mismo modo que las burbujas de aire hacen que el agua carbonatada parezca blanca. Pero cuando se aplica presión y las cápsulas colapsan, actúan como microlentes, enfocando la luz y haciendo que el líquido sea transparente. Estas propiedades ópticas se pueden utilizar para una variedad de aplicaciones, como tintas electrónicas que cambian de color según la presión.

Los investigadores también demostraron que cuando las cápsulas son esféricas, el metafluido se comporta como un fluido newtoniano, lo que significa que su viscosidad sólo cambia en respuesta a la temperatura. Sin embargo, cuando las cápsulas colapsan, la suspensión se convierte en un fluido no newtoniano, lo que significa que su viscosidad cambiará en respuesta a la fuerza de corte: cuanto mayor es la fuerza de corte, más fluido se vuelve. Este es el primer metafluido que se muestra en transición entre estados newtonianos y no newtonianos.

A continuación, los investigadores pretenden explorar las propiedades acústicas y termodinámicas del metafluido.

«El espacio de aplicación para estos metafluidos escalables y fáciles de producir es enorme», dijo Bertoldi.

Referencia: “Shell flambing for programmable metafluids” por Adel Djellouli, Bert Van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Gorissen y Katia Bertoldi, 3 de abril de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07163-z

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual asociada con esta investigación y está explorando oportunidades de comercialización.

La investigación fue financiada en parte por NSF a través de la subvención número DMR-2011754 del Centro de Ingeniería e Investigación de Materiales de la Universidad de Harvard.