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Pesquisadores de Harvard criaram um fluido epitaxial versátil e programável que pode alterar suas propriedades, incluindo viscosidade e transparência óptica, em resposta à pressão. Esta nova classe de fluidos tem aplicações potenciais em robótica, dispositivos ópticos e dissipação de energia, oferecendo um grande avanço na tecnologia de metamateriais. (Conceito do artista). Crédito: SciTechDaily.com
Os cientistas desenvolveram um metafluido com resposta programável.
Cientistas da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard desenvolveram um fluido metafluídico programável com elasticidade ajustável, propriedades ópticas, viscosidade e até mesmo a capacidade de transição entre fluidos newtonianos e não newtonianos.
O primeiro líquido metafluorescente do tipo utiliza uma suspensão de minúsculas bolas de borracha – entre 50 e 500 mícrons – que flexionam sob pressão, alterando radicalmente as propriedades do líquido. O metafluídico pode ser usado em tudo, desde atuadores hidráulicos a robôs programáveis, passando por amortecedores inteligentes que podem dissipar energia dependendo da gravidade do impacto, até dispositivos ópticos que podem ir de transparentes a opacos.
A pesquisa está publicada em natureza.
“Estamos apenas arranhando a superfície do que é possível com esta nova classe de fluidos”, disse Adel Jalouli, pesquisador associado em ciência de materiais e engenharia mecânica no SEAS e primeiro autor do artigo. “Com esta plataforma, você pode fazer muitas coisas diferentes em muitas áreas diferentes.”
Metafluidos vs Sólidos
Os metamateriais – materiais de engenharia cujas propriedades são determinadas pela sua estrutura e não pela composição – têm sido amplamente utilizados numa série de aplicações há anos. Mas a maioria dos materiais – como os minerais metálicos pioneiros no laboratório de Federico Capasso e Robert L. Wallace, pesquisador sênior em engenharia elétrica na Escola de Ciências Aplicadas Fenton Hayes – são sólidos.
Ótica ajustável com o logotipo da Universidade de Harvard exibido abaixo do fluido metafluorescente. Crédito: Universidade de Harvard SEAS
“Ao contrário do sólido metamateriais“Os fluidos metafóricos têm uma capacidade única de fluir e se adaptar ao formato de seu recipiente”, disse Katia Bertoldi, professora de Mecânica Aplicada William e Amy Cowan Danoff na Faculdade de Ciências Aplicadas e autora sênior do artigo. “Nosso objetivo era criar um metafluido que não apenas tivesse esses excelentes atributos, mas também fornecesse uma plataforma para viscosidade, compressibilidade e propriedades ópticas programáveis.”
Usando uma tecnologia de fabricação altamente escalável desenvolvida no laboratório de David A. Weitz, professor Mallinckrodt de Física e Física Aplicada no SEAS, a equipe de pesquisa produziu centenas de milhares dessas cápsulas esféricas cheias de ar, altamente deformáveis, e as suspendeu em óleo de silicone. . Quando a pressão dentro do fluido aumenta, as cápsulas colapsam para formar um hemisfério semelhante a uma lente. Quando esta pressão é removida, as cápsulas voltam à sua forma esférica.
Propriedades e aplicações do metafluido
Esta transformação altera diversas propriedades do fluido, incluindo viscosidade e opacidade. Estas propriedades podem ser ajustadas alterando o número, espessura e volume das cápsulas no líquido.
Os pesquisadores demonstraram a programabilidade do fluido carregando o fluido metafísico em uma pinça robótica hidráulica e fazendo com que a pinça pegasse uma garrafa, um ovo e uma baga. Em um sistema hidráulico tradicional simples movido a ar ou água, o robô precisaria de algum tipo de sensor ou controle externo para poder ajustar sua aderência e pegar os três objetos sem esmagá-los.
Mas com o metafluido, não há necessidade de detecção. O próprio fluido responde a diferentes pressões, mudando sua conformidade para ajustar a força da alça para poder pegar uma garrafa pesada, um ovo delicado e uma baga pequena, sem programação adicional.
“Mostramos que podemos usar esse fluido para dar inteligência a um robô simples”, disse Jalouli.
A equipe também demonstrou uma porta lógica fluídica que pode ser reprogramada alterando a metafluídica.
Propriedades ópticas e estados de líquidos
O Metafluid também altera suas propriedades ópticas quando exposto a pressões variadas.
Quando as cápsulas são redondas, elas espalham a luz, tornando o líquido opaco, assim como as bolhas de ar fazem a água gaseificada parecer branca. Mas quando a pressão é aplicada e as cápsulas entram em colapso, elas agem como pequenas lentes, focando a luz e tornando o líquido transparente. Essas propriedades ópticas podem ser usadas em diversas aplicações, como tintas eletrônicas que mudam de cor com base na pressão.
Os investigadores também mostraram que quando as cápsulas são esféricas, o metafluido se comporta como um fluido newtoniano, o que significa que a sua viscosidade só muda em resposta à temperatura. No entanto, quando as cápsulas colapsam, a suspensão transforma-se num fluido não newtoniano, o que significa que a sua viscosidade mudará em resposta à força de cisalhamento – quanto maior for a força de cisalhamento, mais fluida ela se tornará. Este é o primeiro metafluido que demonstrou fazer a transição entre estados newtonianos e não newtonianos.
A seguir, os pesquisadores pretendem explorar as propriedades acústicas e termodinâmicas dos superfluidos.
“O espaço de aplicação para esses metafluidos escalonáveis e fáceis de produzir é enorme”, disse Bertoldi.
Referência: “Shell Indentation for Programmable Metafluids” por Adel Jalouli, Bert van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Goersen e Katja Bertoldi, 3 de abril de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-024-07163-z
O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico da Universidade de Harvard protegeu a propriedade intelectual associada a esta pesquisa e está explorando oportunidades de comercialização.
Esta pesquisa foi apoiada em parte pela NSF por meio da bolsa nº DMR-2011754 do Centro de Pesquisa e Engenharia de Materiais da Universidade de Harvard.