Причудливая метажидкость обладает программируемыми свойствами

Ученые 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 от того, из чего они состоят, но метаматериалы получают свои свойства от тщательно разработанных структур, состоящих из небольших компонентов. Форма, размер и расположение этих небольших компонентов позволяют им манипулировать электромагнитными волнами, улучшая такие вещи, как звукоизоляция, генерация электричества или даже прозрачность.

В новом исследовании ученые из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS) решили применить этот принцип к жидкостям.

«В отличие от твердых метаматериалов, метажидкости обладают уникальной способностью течь и адаптироваться к форме своего сосуда», — 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».

В новой работе небольшие компоненты метажидкости представляют собой наполненные воздухом эластомерные сферы шириной от 50 до 500 микрон, которые суспендированы в силиконовом масле. Эти крошечные шарики меняют форму под давлением и восстанавливаются обратно, когда давление будет снято, и эти два разных состояния меняют 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 ученых, 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 роботу захватывать разные объекты 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 также может переключаться между ньютоновскими и неньютоновскими жидкостями. Когда капсулы имеют сферическую форму, они являются ньютоновскими, то есть вязкость жидкости меняется только в зависимости от температуры, подобно воде, но когда они сжимаются, жидкость становится неньютоновской, то есть меняет 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, их можно также использовать в амортизаторах, рассеивающих энергию в зависимости от интенсивности удара, или логических вентилях компьютеров. 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.