לא מדע בדיוני: מדענים של הרווארד פיתחו נוזל "אינטיליגנטי".

מדענים פיתחו מטא-נוזל עם תגובה ניתנת לתכנות.

מדענים בבית הספר להנדסה ולמדעים שימושיים בהרווארד ג'ון א. פולסון (SEAS) פיתחו מטא-נוזל הניתן לתכנות עם קפיציות ניתנת לשינוי, תכונות אופטיות, צמיגות ואפילו יכולת מעבר בין נוזל ניוטוני ללא ניוטוני.

המטא-נוזל הראשון מסוגו משתמש בהשעיה של כדורים קטנים ואלסטומרים – בין 50 ל-500 מיקרון – שמתכופפים בלחץ, ומשנים באופן קיצוני את מאפייני הנוזל. המטאנוזל יכול לשמש בכל דבר, החל ממפעילים הידראוליים ועד רובוטים לתכנת, לבולמי זעזועים חכמים שיכולים לפזר אנרגיה בהתאם לעוצמת הפגיעה, ועד להתקנים אופטיים שיכולים לעבור משקוף לאטום.

המחקר מתפרסם ב טֶבַע.

"אנחנו רק מגרדים את פני השטח של מה שאפשר עם הסוג החדש הזה של נוזלים", אמר אדל ג'לולי, עמית מחקר במדעי החומרים והנדסת מכונות ב-SEAS ומחבר ראשון של המאמר. "עם הפלטפורמה האחת הזו, אתה יכול לעשות כל כך הרבה דברים שונים בכל כך הרבה תחומים שונים."

Metafluids לעומת Metamaterials מוצקים

מטא-חומרים – חומרים שהונדסו באופן מלאכותי שתכונותיהם נקבעות על ידי המבנה שלהם ולא על פי הרכבם – נמצאים בשימוש נרחב במגוון יישומים במשך שנים. אבל רוב החומרים – כמו המטאלנסים שחלו במעבדתו של פדריקו קפאסו, רוברט ל. וואלאס פרופסור לפיזיקה יישומית ועמית מחקר בכיר בהנדסת חשמל ב-SEAS של וינטון הייז – הם מוצקים.

אופטיקה ניתנת לכוונון עם לוגו של הרווארד המוצג מתחת למטא-נוזל. קרדיט: הרווארד SEAS

"בניגוד למוצק מטא-חומרים, למטא-נוזלים יש את היכולת הייחודית לזרום ולהסתגל לצורת המיכל שלהם", אמרו קטיה ברטולדי, ויליאם ועמי קואן דנוף פרופסור למכניקה יישומית ב-SEAS ומחבר בכיר של המאמר. "המטרה שלנו הייתה ליצור מטא-נוזל שלא רק בעל התכונות המדהימות הללו אלא גם מספק פלטפורמה לצמיגות, דחיסה ותכונות אופטיות הניתנות לתכנות."

באמצעות טכניקת ייצור ניתנת להרחבה שפותחה במעבדתו של דיוויד א. וייץ, פרופסור ממלינקרודט לפיזיקה ולפיזיקה יישומית ב-SEAS, צוות המחקר ייצר מאות אלפי קפסולות כדוריות בעלות עיוות גבוה, מלאות באוויר והשהה אותן בשמן סיליקון. . כאשר הלחץ בתוך הנוזל עולה, הכמוסות קורסות ויוצרות חצי כדור דמוי עדשה. כאשר הלחץ הזה מוסר, הקפסולות קופצות בחזרה לצורתן הכדורית.

מאפיינים ויישומים של המטאנוזל

המעבר הזה משנה רבות מתכונות הנוזל, כולל הצמיגות והאטימות שלו. ניתן לכוונן את המאפיינים הללו על ידי שינוי המספר, העובי והגודל של הקפסולות בנוזל.

החוקרים הדגימו את יכולת התכנות של הנוזל על-ידי העמסת המטא-נוזל לתוך תפס רובוטי הידראולי והקפדה על התפסן להרים בקבוק זכוכית, ביצה ואוכמניות. במערכת הידראולית מסורתית המופעלת על ידי אוויר או מים פשוטים, הרובוט יזדקק לסוג של חישה או שליטה חיצונית כדי להיות מסוגל להתאים את האחיזה שלו ולאסוף את כל שלושת העצמים מבלי למחוץ אותם.

אבל עם המטא-נוזל, אין צורך בחישה. הנוזל עצמו מגיב ללחצים שונים, משנה את ההתאמה שלו כדי להתאים את כוח התפסן כדי להיות מסוגל לקלוט בקבוק כבד, ביצה עדינה ואוכמניות קטנות, ללא תכנות נוסף.

"אנחנו מראים שאנחנו יכולים להשתמש בנוזל הזה כדי להעניק אינטליגנציה לרובוט פשוט", אמר ג'לולי.

הצוות גם הדגים שער לוגי נזיל שניתן לתכנת מחדש על ידי שינוי המטא-נוזל.

מאפיינים אופטיים ומצבי נוזלים

המטא-נוזל משנה גם את תכונותיו האופטיות כאשר הוא נחשף ללחצים משתנים.

כשהקפסולות עגולות, הן מפזרות אור, מה שהופך את הנוזל לאטום, בדומה לבועות אוויר שגורמות למים מאווררים להיראות לבנים. אבל כאשר מופעל לחץ והקפסולות קורסות, הן פועלות כמו עדשות מיקרו, ממקדות את האור והופכות את הנוזל לשקוף. מאפיינים אופטיים אלה יכולים לשמש עבור מגוון יישומים, כגון דיו אלקטרוני המשנים צבע על בסיס לחץ.

החוקרים גם הראו שכאשר הקפסולות הן כדוריות, המטנוזל מתנהג כמו נוזל ניוטוני, כלומר הצמיגות שלו משתנה רק בתגובה לטמפרטורה. עם זאת, כאשר הכמוסות ממוטטות, התרחיף הופך לנוזל שאינו ניוטוני, כלומר הצמיגות שלו תשתנה בתגובה לכוח הגזירה – ככל שכוח הגזירה גדול יותר, כך הוא הופך לנוזל יותר. זהו המטא-נוזל הראשון שהוכח כמעבר בין מצבים ניוטוניים ללא ניוטונים.

לאחר מכן, החוקרים שואפים לחקור את המאפיינים האקוסטיים והתרמודינמיים של המטא-נוזל.

"מרחב היישומים עבור המטא-נוזלים הניתנים להרחבה וקלים לייצור הוא עצום", אמר ברטולדי.

המשרד לפיתוח טכנולוגי של הרווארד הגן על הקניין הרוחני הקשור למחקר זה ובוחן הזדמנויות מסחור.

המחקר נתמך בחלקו על ידי ה-NSF באמצעות מענק מס' DMR-2011754 של מרכז המחקר למדע והנדסה של אוניברסיטת הרווארד.