Harvard'lı bilim adamları “akıllı” bir sıvı geliştirdiler.

Bilim insanları programlanabilir tepkiye sahip bir meta-sıvı geliştirdi.

John A.'daki bilim adamları Harvard'ın Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu (SEAS), ayarlanabilir elastikiyete, optik özelliklere, viskoziteye ve hatta Newton tipi ve Newton tipi olmayan akışkanlar arasında geçiş yapma yeteneğine sahip programlanabilir bir metaakışkan akışkan geliştirdi.

Türünün ilk örneği olan metafloresan sıvı, basınç altında esneyen ve sıvının özelliklerini kökten değiştiren, 50 ila 500 mikron arasında küçük lastik toplardan oluşan bir süspansiyon kullanıyor. Metafluidic, hidrolik aktüatörlerden programlanabilir robotlara, darbenin şiddetine bağlı olarak enerjiyi dağıtabilen akıllı amortisörlere, şeffaftan opaklığa geçebilen optik cihazlara kadar her şeyde kullanılabilir.

Araştırma şu adreste yayınlandı: doğa.

SEAS'ta malzeme bilimi ve makine mühendisliğinde araştırma görevlisi ve makalenin ilk yazarı olan Adel Jalouli, “Bu yeni sınıf sıvılarla mümkün olanın yalnızca yüzeyini çiziyoruz” dedi. “Bu tek platformla birçok farklı alanda birçok farklı şey yapabilirsiniz.”

Metaakışkanlar ve Katılar

Özellikleri bileşimden ziyade yapılarına göre belirlenen mühendislik malzemeleri olan metamalzemeler, yıllardır çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak Federico Capasso ve Robert L.'nin laboratuvarındaki öncü metalik mineraller gibi çoğu malzeme. Fenton Hayes Uygulamalı Bilimler Okulu'nda elektrik mühendisliği alanında kıdemli araştırma görevlisi olan Wallace, katı maddelerdir.

Metafloresan sıvının altında Harvard Üniversitesi logosunun yer aldığı ayarlanabilir optikler. Kredi bilgileri: Harvard Üniversitesi SEAS

“Katıdan farklı olarak metamalzemelerUygulamalı Bilimler Koleji'nde William ve Amy Cowan Danoff Uygulamalı Mekanik Profesörü ve makalenin kıdemli yazarı Katia Bertoldi, “Metaforik akışkanlar, akma ve bulundukları kabın şekline uyum sağlama konusunda benzersiz bir yeteneğe sahiptir” dedi. “Amacımız, yalnızca bu harika özelliklere sahip olmakla kalmayıp aynı zamanda programlanabilir viskozite, sıkıştırılabilirlik ve optik özellikler için bir platform sağlayan bir meta-sıvı yaratmaktı.”

David A.'nın laboratuvarında geliştirilen yüksek düzeyde ölçeklenebilir bir üretim teknolojisi kullanılıyor. SEAS'ta Mallinckrodt Fizik ve Uygulamalı Fizik Profesörü Weitz'in araştırma ekibi, bu son derece deforme olabilen, havayla doldurulmuş küresel kapsüllerden yüz binlerce üretti ve bunları silikon yağında süspanse etti. . Sıvının içindeki basınç arttığında kapsüller çökerek mercek benzeri bir yarım küre oluşturur. Bu basınç kaldırıldığında kapsüller küresel şekillerine geri döner.

Metaakışkan Özellikleri ve Uygulamaları

Bu dönüşüm, akışkanın viskozite ve opaklık dahil çeşitli özelliklerini değiştirir. Bu özellikler sıvı içindeki kapsüllerin sayısı, kalınlığı ve hacmi değiştirilerek ayarlanabilmektedir.

Araştırmacılar, metafiziksel sıvıyı hidrolik robotik bir kavrayıcıya yükleyerek ve kavrayıcının bir şişe, bir yumurta ve bir yemiş almasını sağlayarak sıvının programlanabilirliğini gösterdiler. Basit, geleneksel, hava veya su ile çalışan bir hidrolik sistemde, robotun tutuşunu ayarlayabilmesi ve üç nesneyi ezmeden alabilmesi için bir tür harici sensöre veya kontrole ihtiyacı olacaktır.

Ancak metaakışkanla algılamaya gerek yoktur. Sıvının kendisi farklı basınçlara tepki verir, sapın kuvvetini ayarlamak için uygunluğunu değiştirir, böylece ağır bir şişeyi, narin bir yumurtayı ve küçük bir meyveyi ek programlamaya gerek kalmadan kaldırabilir.

Jalouli, “Bu sıvıyı basit bir robota zeka kazandırmak için kullanabileceğimizi gösterdik” dedi.

Ekip ayrıca metaakışkanları değiştirerek yeniden programlanabilecek bir akışkan mantık kapısını da gösterdi.

Sıvıların optik özellikleri ve durumları

Metafluid ayrıca değişen basınçlara maruz kaldığında optik özelliklerini de değiştirir.

Kapsüller yuvarlak olduğunda, tıpkı hava kabarcıklarının karbonatlı suyun beyaz görünmesine neden olması gibi, ışığı dağıtarak sıvıyı opak hale getirirler. Ancak basınç uygulandığında ve kapsüller çöktüğünde, küçük mercekler gibi davranarak ışığı odaklıyor ve sıvıyı şeffaf hale getiriyorlar. Bu optik özellikler, basınca bağlı olarak renk değiştiren elektronik mürekkepler gibi çeşitli uygulamalar için kullanılabilir.

Araştırmacılar ayrıca, kapsüller küresel olduğunda metaakışkanın Newton sıvısı gibi davrandığını, yani viskozitesinin yalnızca sıcaklığa tepki olarak değiştiğini gösterdi. Bununla birlikte, kapsüller çöktüğünde süspansiyon Newtonyen olmayan bir sıvıya dönüşür; bu, kesme kuvvetine tepki olarak viskozitesinin değişeceği anlamına gelir; kesme kuvveti ne kadar büyükse, o kadar akışkan olur. Bu, Newtonyen ve Newtonyen olmayan durumlar arasında geçiş yaptığı gösterilen ilk meta-akışkandır.

Daha sonra araştırmacılar süperakışkanların akustik ve termodinamik özelliklerini keşfetmeyi hedefliyor.

Bertoldi, “Bu ölçeklenebilir, üretimi kolay metaakışkanların uygulama alanı çok büyük” dedi.

Referans: Adel Jalouli, Bert van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Goersen ve Katja Bertoldi tarafından yazılan “Programlanabilir Metaakışkanlar için Kabuk Girintisi”, 3 Nisan 2024, doğa.
doi: 10.1038/s41586-024-07163-z

Harvard Üniversitesi Teknoloji Geliştirme Ofisi bu araştırmayla ilgili fikri mülkiyeti korumuştur ve ticarileştirme fırsatlarını araştırmaktadır.

Bu araştırma kısmen NSF tarafından Harvard Üniversitesi Malzeme Araştırma Bilimi ve Mühendislik Merkezi Hibe No. DMR-2011754 aracılığıyla desteklenmiştir.