Los científicos de Harvard han desarrollado un líquido «inteligente».

Los científicos han desarrollado un metafluido con una respuesta programable.

Los científicos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard han desarrollado un fluido metafluídico programable con elasticidad, propiedades ópticas, viscosidad e incluso la capacidad de transición entre fluidos newtonianos y no newtonianos sintonizables.

El líquido metafluorescente, el primero de su tipo, utiliza una suspensión de pequeñas bolas de goma (de entre 50 y 500 micrones) que se flexionan bajo presión, cambiando radicalmente las propiedades del líquido. Los metafluidos se pueden utilizar en todo, desde actuadores hidráulicos hasta robots programables, pasando por amortiguadores inteligentes que pueden disipar energía según la gravedad del impacto y dispositivos ópticos que pueden pasar de transparentes a opacos.

La investigación se publica en naturaleza.

«Sólo estamos arañando la superficie de lo que es posible con esta nueva clase de fluidos», dijo Adel Jalouli, investigador asociado en ciencia de materiales e ingeniería mecánica en SEAS y primer autor del artículo. «Con esta plataforma, puedes hacer muchas cosas diferentes en muchas áreas diferentes».

Metafluidos vs Sólidos

Los metamateriales (materiales diseñados 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 minerales metálicos pioneros en el laboratorio de Federico Capasso y Robert L. Wallace, investigador principal en ingeniería eléctrica de la Facultad de Ciencias Aplicadas Fenton Hayes, son sólidos.

Óptica ajustable con el logotipo de la Universidad de Harvard mostrado debajo del líquido metafluorescente. Crédito: Universidad de Harvard SEAS

“A diferencia de los sólidos metamateriales«Los fluidos metafóricos tienen una capacidad única para fluir y adaptarse a la forma de su recipiente», dijo Katia Bertoldi, profesora de Mecánica Aplicada William y Amy Cowan Danoff en la Facultad de Ciencias Aplicadas y autora principal del artículo. «Nuestro objetivo era crear un metafluido que no solo tuviera estos grandes atributos, sino que también proporcionara una plataforma para viscosidad, compresibilidad y propiedades ópticas programables».

Utilizando una tecnología 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 llenas de aire, altamente deformables, y las suspendió en aceite de silicona. . Cuando aumenta la presión dentro del líquido, las cápsulas colapsan para formar un hemisferio similar a una lente. Cuando se elimina esta presión, las cápsulas vuelven a su forma esférica.

Propiedades y aplicaciones de metafluidos

Esta transformación cambia varias propiedades del fluido, incluidas la viscosidad y la opacidad. Estas propiedades se pueden ajustar cambiando la cantidad, el grosor y el volumen de las cápsulas en el líquido.

Los investigadores demostraron la programabilidad del fluido cargando el fluido metafísico en una pinza robótica hidráulica y haciendo que la pinza recogiera una botella, un huevo y una baya. En un sistema hidráulico tradicional simple, impulsado por aire o agua, el robot necesitaría algún tipo de sensor o control externo para poder ajustar su agarre y recoger los tres objetos sin aplastarlos.

Pero con el metafluido, no hay necesidad de detectar. El propio fluido responde a diferentes presiones, cambiando su conformidad para ajustar la fuerza del mango de modo que pueda levantar una botella pesada, un huevo delicado y una baya pequeña, sin programación adicional.

«Hemos demostrado que podemos utilizar este fluido para dotar de inteligencia a un robot sencillo», afirmó Jalouli.

El equipo también demostró una puerta lógica fluídica que se puede reprogramar cambiando los metafluidos.

Propiedades ópticas y estados de los líquidos.

Metafluid también cambia sus propiedades ópticas cuando se expone a diferentes presiones.

Cuando las cápsulas son redondas, dispersan la luz, haciendo que el líquido se vuelva opaco, del mismo modo que las burbujas de aire hacen que el agua carbonatada parezca blanca. Pero cuando se aplica presión y las cápsulas colapsan, actúan como lentes diminutas, enfocando la luz y haciendo que el líquido sea transparente. Estas propiedades ópticas se pueden utilizar 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 convierte 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 de los superfluidos.

«El espacio de aplicación para estos metafluidos escalables y fáciles de producir es enorme», dijo Bertoldi.

Referencia: “Shell Indentation for Programmable Metafluids” por Adel Jalouli, Bert van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Goersen y Katja Bertoldi, 3 de abril de 2024, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-024-07163-z

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de la Universidad de Harvard ha protegido la propiedad intelectual asociada con esta investigación y está explorando oportunidades de comercialización.

Esta investigación fue financiada en parte por NSF a través de la subvención número DMR-2011754 del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de la Universidad de Harvard.