Мы слышим о разработке метаматериалов, свойства которых так причудливы, что они сочетают несочетаемые в природе характеристики от твёрдости и упругости до невидимости, звукоизоляции и других. Учёные из США проделали нечто подобное в области жидких веществ. Созданную в Гарварде метажидкость можно программировать на те или иные качества: менять вязкость, прозрачность, силу сжатия или даже превращать из ньютоновской в неньютоновскую и обратно.
Источник изображения: Adel Djellouli/Harvard SEAS
С метаматериалами всё просто, если так можно сказать. Их характеристики определяет продуманная структура из более мелких компонентов. Форма, размер и расположение этих компонентов позволяют манипулировать распространением электромагнитных или звуковых волн, создавать усилие в определённых точках и расслаблять в других. Если учесть тот факт, что жидкости текут и принимают форму ёмкости, то метажидкости могут проявить себя там, где твёрдые метаматериалы себя ещё не проявили или в принципе не могут проявить.
«В отличие от твёрдых метаматериалов, метажидкости обладают уникальной способностью течь и приспосабливаться к форме своего контейнера, — говорит Катя Бертольди (Katia Bertoldi), первый автор исследования, учёный из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS). — Нашей целью было создать метажидкость, которая не только обладает этими замечательными свойствами, но и обеспечивает платформу для программируемой вязкости, сжимаемости и оптических свойств».
Предложенная учёными метажидкость представляет собой взвесь наполненных воздухом шариков из эластомера диаметром от 50 до 500 мкм. Крошечные шарики помещены в раствор силиконового масла. Если к контейнеру с шариками приложить давление, то они будут сжиматься и снова принимать круглую форму, когда давление спадёт. Каждое из этих двух состояний придаёт метажидкости свои уникальные свойства.
Например, когда давления нет, шарики остаются круглыми и рассеивают падающий на них свет. С подачей давления шарики принимают плоскую линзоподобную форму и начинают пропускать фоновое изображение. На данном эффекте можно представить работу цветных электронных чернил. Или другой пример — это кисть робота с обратной связью для мягкого захвата хрупких предметов. Метажидкость автоматически без датчиков давления только за счёт своей способности реагировать на внешнее давление регулирует силу сжатия: одну при съёме ягод, другую при сборе яиц и третью при подъёме тяжестей.
Также предложенная учёными метажидкость может переключаться между ньютоновскими и неньютоновскими жидкостями. Когда капсулы имеют сферическую форму — это ньютоновская система, то есть её вязкость меняется только с температурой, подобно воде, но когда они сжимаются, жидкость становится неньютоновской, что заставляет её вязкости действовать по другим законам.
Кроме представленных выше примеров метажидкость может использоваться в амортизаторах, которые получат способность рассеивать энергию удара и даже в водяных компьютерах, играя роль логики. Наконец, даже свойства придуманной метажидкости можно будет менять в широких пределах, меняя лишь размер шариков в ней, о чём учёные рассказали в работе, опубликованной в журнале Nature.