Metamaterial - artificiellt framställda material vars egenskaper bestäms av deras struktur snarare än sammansättning - har använts i stor utsträckning i en rad applikationer i åratal. Men de flesta material – som metallensens 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 fasta metamaterial har metafluider den unika förmågan att flyta och anpassa sig till formen på sin behållare", säger Katia Bertoldi, professor i tillämpad mekanik vid SEAS och senior författare av tidningen William och Ami Kuan Danoff. "Vårt mål var att skapa en metavätska som inte bara besitter 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, skjuter kapslarna tillbaka till sin sfäriska form.

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, 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 demonstrerade också en fluidisk logikgrind 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, till exempel 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 betyder 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 stater.

Därefter siktar forskarna på att utforska metafluidens akustiska och termodynamiska egenskaper.

"Ansökningsutrymmet för dessa skalbara, lättproducerade metafluider är enormt," sa Bertoldi.

Harvards kontor för teknisk utveckling har skyddat den immateriella egendom som är förknippad med denna forskning och undersöker kommersialiseringsmöjligheter.

Mer information: Katia Bertoldi, Shell buckling for programmerbara metafluids, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07163-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07163-z

Journalinformation: Natur

Tillhandahålls av Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences