Ученые из Школы инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS) при Гарвардском университете разработали уникальную метажидкость, которая обладает настраиваемой упругостью, оптическими свойствами, вязкостью и способностью переходить между ньютоновским и неньютоновским состояниями.
Эта метажидкость использует смесь небольших эластомерных сфер диаметром от 50 до 500 микрон, которые изменяют свою форму под воздействием давления, радикально изменяя свойства жидкости. Применение метажидкости разнообразно: от гидравлических систем до программируемых роботов, от интеллектуальных амортизаторов, способных рассеивать энергию в зависимости от силы удара, до оптических устройств, меняющих свою прозрачность. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Метаматериалы, созданные искусственно и обладающие свойствами, определяемыми их структурой, а не составом, давно применяются в различных областях. Однако большинство таких материалов, включая металинзы, изначально разработанные в лаборатории профессора Федерико Капассо и его коллег, являются твердыми.
В отличие от твердых метаматериалов, метажидкости могут течь и адаптироваться к форме контейнера. Наша цель заключалась не только в создании метажидкости с этими удивительными свойствами, но и в разработке платформы для настройки ее вязкости, сжимаемости и оптических характеристик.
С использованием масштабируемой технологии, разработанной в лаборатории профессора Дэвида А. Вайца, исследовательская группа создала сотни тысяч деформируемых сферических капсул размером с микробыллет, заполненных воздухом, и распределила их в силиконовом масле. Под действием давления внутри жидкости капсулы разрушаются, образуя линзовидные полусферы. При снятии давления капсулы возвращаются к исходной сферической форме.
Этот процесс изменяет ряд характеристик жидкости, включая ее вязкость и прозрачность. Эти свойства можно регулировать, изменяя количество, толщину и размер капсул.
Ученые продемонстрировали возможность программирования жидкости, загрузив ее в гидравлический роботический захват и заставив захват поднимать стеклянные бутылки, яйца и ягоды. В традиционной гидравлической системе, работающей на воздухе или воде, требуется датчик или внешнее управление для регулирования захвата, чтобы можно было поднимать все эти объекты без их повреждения.
Однако с метажидкостью датчики не нужны: сама жидкость реагирует на давление, меняя свою податливость и регулируя силу захвата, что позволяет поднимать различные объекты без дополнительного программирования. Метажидкость также изменяет свои оптические свойства под воздействием изменяющегося давления.
При сферической форме капсул они рассеивают свет, делая жидкость непрозрачной, а при разрушении капсул действуют как микролинзы, фокусируя свет и делая жидкость прозрачной. Эти оптические свойства могут быть использованы в различных областях, например, в электронных чернилах, меняющих цвет в зависимости от давления.
Исследователи также выяснили, что при сферической форме капсул метажидкость ведет себя как ньютоновская жидкость, то есть ее вязкость зависит только от температуры. Однако при схлопывании капсул суспензия становится неньютоновской жидкостью, изменяя свою вязкость в зависимости от силы сдвига. Это первый случай, когда метажидкость демонстрирует переход между ньютоновским и неньютоновским состояниями.
В будущем исследователи планируют изучить акустические и термодинамические свойства метажидкости.