Investigadores 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, el primero de su tipo, utiliza una suspensión de pequeñas esferas de elastómero (entre 50 y 500 micrones) que se doblan bajo presión, cambiando radicalmente las características del fluido. El metafluido podría usarse 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 transparente a opaco.
La investigación se publica en Nature .
"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 única plataforma, puedes hacer muchas cosas diferentes en muchos campos distintos".
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 desarrollados por primera vez en el laboratorio de Federico Capasso, profesor Robert L. Wallace de Física Aplicada y Vinton Hayes investigador senior en ingeniería eléctrica en SEAS, son sólidos.
"A diferencia de los metamateriales sólidos, 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 altamente deformables llenas de aire y las suspendieron en aceite de silicona. . Cuando aumenta la presión dentro del líquido, las cápsulas colapsan, formando una media esfera en forma de lente. Cuando se elimina esa presión, las cápsulas vuelven a su forma esférica.
Esa transición cambia muchas de las propiedades del líquido, incluidas su viscosidad y opacidad. Esas 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 simple aire o agua, el robot necesitaría algún tipo de detección o control externo para poder ajustar su agarre y recoger los tres objetos sin aplastarlos.
Pero con el metafluido no se necesita ninguna detección. El propio líquido responde a diferentes presiones, cambiando su elasticidad para ajustar la fuerza de la pinza para poder coger una botella pesada, un huevo delicado y un arándano pequeño, sin programación adicional.
"Demostramos que podemos utilizar este fluido para dotar de inteligencia a un robot simple", afirmó Djellouli.
El equipo también demostró una puerta lógica fluídica que se puede reprogramar cambiando el metafluido.
El metafluido también cambia sus propiedades ópticas cuando se expone a presiones cambiantes.
Cuando las cápsulas son redondas, dispersan la luz, haciendo que el líquido se vuelva opaco, de la misma manera que las burbujas de aire hacen que el agua gaseosa 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 podrían usarse 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 transforma 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 ha demostrado que realiza una 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", afirmó Bertoldi.
La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual asociada con esta investigación y está explorando oportunidades de comercialización.
Más información: Katia Bertoldi, Pandeo de Shell para metafluidos programables, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07163-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07163-z
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard
