„Wir kratzen gerade erst an der Oberfläche dessen, was mit dieser neuen Flüssigkeitsklasse möglich ist“, sagt Adel Djellouli, wissenschaftlicher Mitarbeiter in den Bereichen Materialwissenschaften und Maschinenbau am SEAS und Erstautor der Studie. „Mit dieser einen Plattform könnte man so viele verschiedene Dinge in so vielen verschiedenen Bereichen tun.“
Metamaterialien, künstlich hergestellte Materialien, deren Eigenschaften durch ihre Struktur und nicht durch ihre Zusammensetzung bestimmt werden, werden seit Jahren in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt. Die meisten dieser Materialien, wie die Metalenses, die im Labor von Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor für Angewandte Physik und Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering am SEAS, entwickelt wurden, sind jedoch fest.
Metafluide als Weiterentwicklung der Metamaterialien
„Im Gegensatz zu festen Metamaterialien haben Metafluide die einzigartige Fähigkeit, zu fließen und sich an die Form ihres Behälters anzupassen“, so Katia Bertoldi, William und Ami Kuan Danoff Professor für Angewandte Mechanik am SEAS und Hauptautorin der Studie. „Unser Ziel war es, ein Metafluid zu schaffen, das nicht nur diese bemerkenswerten Eigenschaften besitzt, sondern auch eine Plattform für programmierbare Viskosität, Kompressibilität und optische Eigenschaften bietet.“
Mithilfe einer hochgradig skalierbaren Herstellungstechnik, die im Labor von David A. Weitz, Mallinckrodt-Professor für Physik und Angewandte Physik an der SEAS, entwickelt wurde, produzierte das Forscherteam Hunderttausende dieser hochgradig verformbaren, mit Luft gefüllten kugelförmigen Kapseln und setzte sie in Siliziumöl aus. Wenn der Druck in der Flüssigkeit steigt, kollabieren die Kapseln und bilden eine linsenartige Halbkugel. Wird der Druck weggenommen, springen die Kapseln wieder in ihre kugelförmige Form zurück.
Dieser Übergang verändert viele Eigenschaften der Flüssigkeit, darunter ihre Viskosität und Opazität. Diese Eigenschaften können durch Änderung der Anzahl, Dicke und Größe der Kapseln in der Flüssigkeit eingestellt werden. Die Forscher demonstrierten die Programmierbarkeit der Flüssigkeit, indem sie das Metafluid in einen hydraulischen Robotergreifer füllten und den Greifer eine Glasflasche, ein Ei und eine Heidelbeere aufnehmen ließen. Bei einem herkömmlichen hydraulischen System, das mit Luft oder Wasser betrieben wird, wäre der Roboter auf eine Art Sensor oder externe Steuerung angewiesen, um seinen Griff anzupassen und alle drei Objekte aufzunehmen, ohne sie zu zerquetschen.
Mit dem Metafluid ist jedoch keine Sensorik erforderlich. Die Flüssigkeit selbst reagiert auf unterschiedliche Drücke und ändert ihre Nachgiebigkeit, um die Kraft des Greifers so anzupassen, dass er eine schwere Flasche, ein zartes Ei und eine kleine Blaubeere aufnehmen kann, ohne zusätzliche Programmierung. „Wir zeigen, dass wir diese Flüssigkeit nutzen können, um einem einfachen Roboter Intelligenz zu verleihen“, sagt Djellouli. Das Team demonstrierte auch ein fluidisches Logikgatter, das durch Veränderung des Metafluids umprogrammiert werden kann. Das Metafluid ändert auch seine optischen Eigenschaften, wenn es wechselnden Drücken ausgesetzt wird.
Metafluide können vielseitig eingesetzt werden
Wenn die Kapseln rund sind, streuen sie das Licht und machen die Flüssigkeit undurchsichtig, ähnlich wie Luftblasen belüftetes Wasser weiß erscheinen lassen. Wenn jedoch Druck ausgeübt wird und die Kapseln zusammenfallen, wirken sie wie Mikrolinsen, die das Licht bündeln und die Flüssigkeit transparent machen. Diese optischen Eigenschaften könnten für eine Reihe von Anwendungen genutzt werden, zum Beispiel für elektronische Tinten, die je nach Druck ihre Farbe ändern.
Die Forscher zeigten auch, dass sich das Metafluid wie eine Newtonsche Flüssigkeit verhält, wenn die Kapseln kugelförmig sind, das heißt seine Viskosität ändert sich nur in Abhängigkeit von der Temperatur. Wenn die Kapseln jedoch kollabiert sind, verwandelt sich die Suspension in eine nicht-newtonsche Flüssigkeit, das heißt ihre Viskosität ändert sich als Reaktion auf eine Scherkraft, je größer die Scherkraft, desto flüssiger wird sie. Dies ist das erste Metafluid, das nachweislich zwischen dem Newtonschen und dem Nicht-Newtonschen Zustand wechselt.
Als nächstes wollen die Forscher die akustischen und thermodynamischen Eigenschaften des Metafluids untersuchen. „Der Anwendungsbereich für diese skalierbaren, leicht herstellbaren Metafluide ist riesig“, sagt Bertoldi.
