Des scientifiques de Harvard ont développé un liquide « intelligent ».

Des chercheurs de Harvard ont créé un fluide épitaxial polyvalent et programmable qui peut modifier ses propriétés, notamment sa viscosité et sa transparence optique, en réponse à la pression. Cette nouvelle classe de fluides a des applications potentielles en robotique, en dispositifs optiques et en dissipation d’énergie, offrant ainsi une avancée majeure dans la technologie des métamatériaux. (Concept de l'artiste). Crédit : SciTechDaily.com

Les scientifiques ont développé un métafluide doté d’une réponse programmable.

Les scientifiques de John A. La Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de Harvard a développé un fluide métafluidique programmable avec une élasticité, des propriétés optiques, une viscosité et même la capacité de transition entre les fluides newtoniens et non newtoniens.

Le premier liquide métafluorescent en son genre utilise une suspension de minuscules billes de caoutchouc – entre 50 et 500 microns – qui fléchissent sous la pression, modifiant radicalement les propriétés du liquide. La métafluidique peut être utilisée dans tout, des actionneurs hydrauliques aux robots programmables, en passant par les amortisseurs intelligents capables de dissiper l'énergie en fonction de la gravité de l'impact, jusqu'aux dispositifs optiques pouvant passer du clair au opaque.

La recherche est publiée dans nature.

« Nous ne faisons qu'effleurer la surface de ce qui est possible avec cette nouvelle classe de fluides », a déclaré Adel Jalouli, chercheur associé en science des matériaux et en génie mécanique à SEAS et premier auteur de l'article. « Avec cette plateforme unique, vous pouvez faire beaucoup de choses différentes dans de nombreux domaines différents. »

Métafluides vs solides

Les métamatériaux – des matériaux techniques dont les propriétés sont déterminées par leur structure plutôt que par leur composition – sont largement utilisés depuis des années dans diverses applications. Mais la plupart des matériaux, comme les minéraux métalliques pionniers du laboratoire de Federico Capasso et Robert L. Wallace, chercheur principal en génie électrique à la Fenton Hayes School of Applied Sciences, sont des solides.

Optique réglable avec le logo de l'Université Harvard affiché sous le fluide métafluorescent. Crédit : SEAS de l’Université Harvard

« Contrairement au solide métamatériaux« Les fluides métaphoriques ont une capacité unique à s'écouler et à s'adapter à la forme de leur contenant », a déclaré Katia Bertoldi, professeure William et Amy Cowan Danoff de mécanique appliquée au Collège des sciences appliquées et auteur principal de l'article. « Notre objectif était de créer un métafluide qui non seulement possédait ces grands attributs, mais fournissait également une plate-forme pour la viscosité, la compressibilité et les propriétés optiques programmables. »

Utilisant une technologie de fabrication hautement évolutive développée dans le laboratoire de David A. Weitz, professeur Mallinckrodt de physique et de physique appliquée à SEAS, l'équipe de recherche a produit des centaines de milliers de ces capsules sphériques hautement déformables remplies d'air et les a mises en suspension dans de l'huile de silicone. . Lorsque la pression à l’intérieur du fluide augmente, les capsules s’effondrent pour former un hémisphère en forme de lentille. Lorsque cette pression est supprimée, les capsules reprennent leur forme sphérique.

Propriétés et applications des métafluides

Cette transformation modifie plusieurs propriétés du fluide, notamment la viscosité et l'opacité. Ces propriétés peuvent être ajustées en modifiant le nombre, l'épaisseur et le volume des capsules dans le liquide.

Les chercheurs ont démontré la programmabilité du fluide en chargeant le fluide métaphysique dans une pince robotique hydraulique et en demandant à la pince de ramasser une bouteille, un œuf et une baie. Dans un simple système hydraulique traditionnel alimenté à l'air ou à l'eau, le robot aurait besoin d'une sorte de capteur ou de commande externe pour pouvoir ajuster sa prise et ramasser les trois objets sans les écraser.

Mais avec le métafluide, aucune détection n’est nécessaire. Le fluide lui-même répond à différentes pressions, modifiant sa conformité pour ajuster la force de la poignée afin de pouvoir saisir une bouteille lourde, un œuf délicat et une petite baie, sans programmation supplémentaire.

« Nous avons montré que nous pouvons utiliser ce fluide pour donner de l'intelligence à un simple robot », a déclaré Jalouli.

L’équipe a également démontré une porte logique fluidique qui peut être reprogrammée en modifiant la métafluidique.

Propriétés optiques et états des liquides

Le métafluide modifie également ses propriétés optiques lorsqu'il est exposé à des pressions variables.

Lorsque les capsules sont rondes, elles diffusent la lumière, rendant le liquide opaque, tout comme les bulles d'air font apparaître l'eau gazeuse en blanc. Mais lorsqu’une pression est appliquée et que les capsules s’effondrent, elles agissent comme de minuscules lentilles, focalisant la lumière et rendant le liquide transparent. Ces propriétés optiques peuvent être utilisées pour diverses applications, telles que les encres électroniques qui changent de couleur en fonction de la pression.

Les chercheurs ont également montré que lorsque les capsules sont sphériques, le métafluide se comporte comme un fluide newtonien, c'est-à-dire que sa viscosité ne change qu'en réponse à la température. Cependant, lorsque les capsules s’effondrent, la suspension se transforme en un fluide non newtonien, ce qui signifie que sa viscosité changera en réponse à la force de cisaillement : plus la force de cisaillement est grande, plus elle devient fluide. Il s’agit du premier métafluide dont il a été démontré qu’il effectue une transition entre les états newtonien et non newtonien.

Les chercheurs visent ensuite à explorer les propriétés acoustiques et thermodynamiques des superfluides.

« L'espace d'application de ces métafluides évolutifs et faciles à produire est énorme », a déclaré Bertoldi.

Référence : « Shell Indentation for Programmable Metafluids » par Adel Jalouli, Bert van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Goersen et Katja Bertoldi, 3 avril 2024, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-024-07163-z

L'Office of Technology Development de l'Université Harvard a protégé la propriété intellectuelle associée à cette recherche et explore les opportunités de commercialisation.

Cette recherche a été financée en partie par la NSF par le biais de la subvention n° DMR-2011754 du Centre de recherche et d'ingénierie sur les matériaux de l'Université Harvard.