Các nhà khoa học đã phát triển một loại siêu chất lỏng có phản ứng có thể lập trình được.

Các nhà khoa học tại John A. Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Paulson (SEAS) của Harvard đã phát triển một chất lỏng siêu lỏng có thể lập trình với độ đàn hồi có thể điều chỉnh, tính chất quang học, độ nhớt và thậm chí cả khả năng chuyển đổi giữa chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton.

Chất lỏng siêu huỳnh quang đầu tiên sử dụng huyền phù các quả bóng cao su nhỏ – từ 50 đến 500 micron – uốn cong dưới áp suất, làm thay đổi hoàn toàn các tính chất của chất lỏng. Metafluidic có thể được sử dụng trong mọi thứ, từ bộ truyền động thủy lực đến robot có thể lập trình, đến bộ giảm xóc thông minh có thể tiêu tán năng lượng tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của tác động, đến các thiết bị quang học có thể chuyển từ trong suốt sang mờ đục.

Nghiên cứu được công bố trên thiên nhiên.

Adel Jalouli, nhà nghiên cứu về khoa học vật liệu và kỹ thuật cơ khí tại SEAS và là tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết: “Chúng tôi chỉ mới xem xét sơ bộ những gì có thể xảy ra với loại chất lỏng mới này”. “Với nền tảng này, bạn có thể làm nhiều việc khác nhau ở nhiều lĩnh vực khác nhau.”

Metafluids vs chất rắn

Siêu vật liệu – vật liệu được thiết kế có đặc tính được xác định bởi cấu trúc của chúng chứ không phải thành phần – đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng trong nhiều năm. Nhưng hầu hết các vật liệu – chẳng hạn như các khoáng chất kim loại tiên phong trong phòng thí nghiệm của Federico Capasso và Robert L. Wallace, một nhà nghiên cứu cao cấp về kỹ thuật điện tại Trường Khoa học Ứng dụng Fenton Hayes – là chất rắn.

Quang học có thể điều chỉnh với logo Đại học Harvard hiển thị bên dưới chất lỏng siêu huỳnh quang. Nguồn: Đại học Harvard SEAS

“Không giống như chất rắn siêu vật liệuKatia Bertoldi, giáo sư cơ học ứng dụng tại Trường Khoa học Ứng dụng thuộc Đại học SEAS và là tác giả chính của bài báo cho biết: “Chất lỏng ẩn dụ có khả năng đặc biệt là chảy và thích ứng với hình dạng của vật chứa chúng. “Mục tiêu của chúng tôi là tạo ra một siêu chất lỏng không chỉ có những thuộc tính tuyệt vời này mà còn cung cấp nền tảng cho các đặc tính độ nhớt, khả năng nén và quang học có thể lập trình được.”

Sử dụng công nghệ sản xuất có khả năng mở rộng cao được phát triển trong phòng thí nghiệm của David A. Weitz, Giáo sư Vật lý và Vật lý Ứng dụng Mallinckrodt tại SEAS, nhóm nghiên cứu đã sản xuất hàng trăm nghìn viên nang hình cầu chứa đầy không khí, có khả năng biến dạng cao này và treo chúng trong dầu silicon. . Khi áp suất bên trong chất lỏng tăng lên, các viên nang sẽ xẹp xuống tạo thành một bán cầu giống như thấu kính. Khi áp suất này được loại bỏ, các viên nang sẽ trở lại hình dạng hình cầu.

Thuộc tính và ứng dụng Metafluid

Sự biến đổi này làm thay đổi một số tính chất của chất lỏng, bao gồm độ nhớt và độ mờ đục. Những đặc tính này có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi số lượng, độ dày và thể tích của viên nang trong chất lỏng.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng lập trình của chất lỏng bằng cách nạp chất lỏng siêu hình vào một dụng cụ kẹp robot thủy lực và để dụng cụ kẹp lấy chai, một quả trứng và một quả mọng. Trong một hệ thống thủy lực chạy bằng không khí hoặc nước truyền thống đơn giản, robot sẽ cần một số loại cảm biến hoặc bộ điều khiển bên ngoài để có thể điều chỉnh độ bám và nhặt ba vật thể mà không làm nát chúng.

Nhưng với metafluid, không cần cảm biến. Bản thân chất lỏng phản ứng với các áp suất khác nhau, thay đổi sự phù hợp của nó để điều chỉnh lực của tay cầm để nó có thể nhấc một cái chai nặng, một quả trứng mỏng và một quả mọng nhỏ mà không cần lập trình thêm.

Jalouli cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi có thể sử dụng chất lỏng này để cung cấp trí thông minh cho một robot đơn giản”.

Nhóm nghiên cứu cũng đã trình diễn một cổng logic chất lỏng có thể được lập trình lại bằng cách thay đổi siêu chất lỏng.

Tính chất quang học và trạng thái của chất lỏng

Metafluid cũng thay đổi tính chất quang học của nó khi tiếp xúc với áp suất khác nhau.

Khi các viên nang có hình tròn, chúng tán xạ ánh sáng, làm cho chất lỏng trở nên mờ đục, giống như bọt khí làm cho nước có ga có màu trắng. Nhưng khi có áp suất tác dụng và các viên nang xẹp xuống, chúng hoạt động giống như những thấu kính nhỏ, tập trung ánh sáng và làm cho chất lỏng trong suốt. Những đặc tính quang học này có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng, chẳng hạn như mực điện tử thay đổi màu sắc dựa trên áp suất.

Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng khi các viên nang có dạng hình cầu, siêu chất lỏng hoạt động giống như chất lỏng Newton, nghĩa là độ nhớt của nó chỉ thay đổi theo nhiệt độ. Tuy nhiên, khi các viên nang xẹp xuống, huyền phù biến thành chất lỏng phi Newton, nghĩa là độ nhớt của nó sẽ thay đổi theo lực cắt – lực cắt càng lớn thì nó càng trở nên lỏng hơn. Đây là siêu chất lỏng đầu tiên được chứng minh là có khả năng chuyển đổi giữa trạng thái Newton và phi Newton.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu hướng tới khám phá các đặc tính âm thanh và nhiệt động của chất siêu lỏng.

Bertoldi cho biết: “Không gian ứng dụng cho các siêu chất lỏng dễ sản xuất và có thể mở rộng này là rất lớn”.

Tham khảo: “Thụt lề Shell cho siêu chất lỏng có thể lập trình” của Adel Jalouli, Bert van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Goersen và Katja Bertoldi, ngày 3 tháng 4 năm 2024, thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41586-024-07163-z

Văn phòng Phát triển Công nghệ của Đại học Harvard đã bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ liên quan đến nghiên cứu này và đang khám phá các cơ hội thương mại hóa.

Nghiên cứu này được NSF hỗ trợ một phần thông qua Tài trợ của Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu Đại học Harvard số DMR-2011754.