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(noticias nanowerk) Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han desarrollado un metafluido programable con elasticidad ajustable, propiedades ópticas, viscosidad e incluso la capacidad de realizar una transición entre un fluido newtoniano y no newtoniano.
El primer metafluido de este tipo utiliza una suspensión de pequeñas perlas de elastómero (de entre 50 y 500 micrómetros) que se doblan bajo presión y cambian radicalmente las propiedades del fluido. El metafluido podría usarse en todo, desde actuadores hidráulicos hasta robots de programación, amortiguadores inteligentes que pueden disipar energía dependiendo de la intensidad del impacto y dispositivos ópticos que pueden cambiar de transparente a opaco.
La investigación se publica en Naturaleza (“Pandeo de carcasa para metafluidos programables”).
«Estamos apenas arañando la superficie de lo que es posible con esta nueva clase de fluidos», dijo Adel Djellouli, investigador asociado en ciencia de materiales e ingeniería mecánica en SEAS y autor principal del artículo. «Se podrían hacer tantas cosas diferentes en tantas áreas diferentes con esta única plataforma».
Los metamateriales (materiales artificiales cuyas propiedades están determinadas por su estructura más que por su composición) se han utilizado en numerosas aplicaciones durante años. Pero la mayoría de los materiales, como los tipos de metales desarrollados en el laboratorio de Federico Capasso, profesor Robert L. Wallace de Física Aplicada y Vinton Hayes investigador principal en ingeniería eléctrica en SEAS, son sólidos.
«A diferencia de los metamateriales sólidos, los metafluidos tienen la capacidad única de fluir y adaptarse a la forma de su contenedor», dijo Katia Bertoldi, profesora de Mecánica Aplicada William y Ami Kuan Danoff en SEAS y autora principal del artículo. «Nuestro objetivo era crear un metafluido que no solo posea estas notables propiedades, sino que también proporcione una plataforma para viscosidad, compresibilidad y propiedades ópticas programables».
Utilizando una técnica de fabricación altamente escalable desarrollada en el laboratorio de David A. Weitz, profesor Mallinckrodt de Física y Física Aplicada en SEAS, el equipo de investigación fabricó cientos de miles de estas cápsulas esféricas llenas de aire altamente deformables y las suspendió en aceite de silicona. A medida que aumenta la presión en el líquido, las cápsulas colapsan y forman un hemisferio parecido a una lente. Cuando se elimina esta presión, las cápsulas vuelven a su forma esférica.
Esta transición cambia muchas propiedades del líquido, incluidas su viscosidad y opacidad. Estas propiedades se pueden ajustar cambiando la cantidad, el grosor y el tamaño de las cápsulas en el líquido.
Los investigadores demostraron la programabilidad del fluido cargando el metafluido en una pinza robótica hidráulica y haciendo que la pinza recogiera una botella de vidrio, un huevo y un arándano. En un sistema hidráulico tradicional que simplemente funciona con aire o agua, el robot necesitaría algún tipo de detección o control externo para ajustar su agarre y recoger los tres objetos sin aplastarlos.
Pero con el metafluido no se requiere percepción. El propio fluido responde a diferentes presiones y cambia su cumplimiento para ajustar la fuerza de la pinza de modo que pueda sostener una botella pesada, un huevo delicado y un arándano pequeño sin programación adicional.
«Demostramos que podemos utilizar este fluido para dar inteligencia a un robot simple», dijo Djellouli.
El equipo también demostró una puerta lógica fluídica que se puede reprogramar cambiando el metafluido.
El metafluido también cambia sus propiedades ópticas cuando se expone a presiones cambiantes.
Cuando las cápsulas son redondas, dispersan la luz y hacen que el líquido se vuelva opaco, de forma similar a como las burbujas de aire hacen que el agua carbonatada parezca blanca. Sin embargo, cuando se aplica presión y las cápsulas colapsan, actúan como microlentes, concentrando la luz y haciendo que el líquido sea transparente. Estas propiedades ópticas podrían usarse para una variedad de aplicaciones, como tintas electrónicas que cambian de color según la impresión.
Los investigadores también demostraron que en el caso de las cápsulas esféricas, el metafluido se comporta como un fluido newtoniano, lo que significa que su viscosidad sólo cambia en respuesta a la temperatura. Sin embargo, cuando las cápsulas colapsan, la suspensión se convierte en un fluido no newtoniano, lo que significa que su viscosidad cambia en respuesta a la fuerza de corte: cuanto mayor es la fuerza de corte, más fluido se vuelve. Este es el primer metafluido que se ha demostrado que realiza una transición entre estados newtonianos y no newtonianos.
A continuación, los investigadores quieren investigar las propiedades acústicas y termodinámicas del metafluido.
«El ámbito de aplicación de estos metafluidos escalables y fáciles de producir es enorme», afirmó Bertoldi.
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