一、哈佛【科學(xué)背景】

對功能增強(qiáng)材料的大學(xué)追求導(dǎo)致了超材料的出現(xiàn)。超材料是可編一種人工設(shè)計的材料，其性能由其結(jié)構(gòu)而非成分決定。程智材料超材料可以實現(xiàn)自然界中不存在的超牛物理現(xiàn)象，如負(fù)折射率、流體完美透鏡和隱身斗篷等。哈佛傳統(tǒng)上，大學(xué)超材料的可編構(gòu)件是在晶格結(jié)構(gòu)中按固定位置排列的，即大部分超材料均為固體。程智材料與固體超材料不同，超牛超流體具有獨特的流體流動能力，能夠適應(yīng)其容器的哈佛形狀，而無需對其組成元素進(jìn)行精確排列。大學(xué)這種材料的可編設(shè)計理念是通過在流體中混合特定的結(jié)構(gòu)單元（如高度可變形的球形膠囊）來實現(xiàn)新的物理特性和功能。

二、【創(chuàng)新成果】

受這些最新進(jìn)展的啟發(fā)，哈佛大學(xué)Katia Bertoldi教授、Benjamin Gorissen教授等人在Nature發(fā)表了題為“Shell buckling for programmable metafluids”的論文。研究表明，通過將高度可變形的球形膠囊混合到不可壓縮的流體中，實現(xiàn)具有可編程的壓縮性、光學(xué)行為和粘度的“超流體”。首先，研究人員通過實驗和數(shù)值計算證明，殼體的屈曲使流體具有高度非線性行為。隨后研究人員利用這種行為開發(fā)了智能機(jī)器人系統(tǒng)、高度可調(diào)的邏輯門和具有可切換特性的光學(xué)元件，最后證明了屈曲時殼體的坍塌導(dǎo)致層流狀態(tài)下懸浮液粘度的大幅增加。因此，所提出的超流體提供了一個很有前途的平臺，用于通過擴(kuò)展流體本身的能力來增強(qiáng)現(xiàn)有流體設(shè)備的功能。這種新型超流體的多功能性為制備智能材料和微納米器件提供了新思路。

圖1 ?包含高度可變形膠囊的超流體? 2024 Springer Nature

首先，研究人員設(shè)計了高度可變形的球形膠囊，這些膠囊硅橡膠制成，并使用3D打印模具進(jìn)行制備。膠囊內(nèi)部充滿空氣，以便在外部壓力作用下發(fā)生屈曲。為了系統(tǒng)地探索膠囊對超流體響應(yīng)的影響，研究人員進(jìn)行了有限元分析。

圖2 ?超流體建模? 2024 Springer Nature

基于對膠囊屈曲行為的理解，研究人員開發(fā)了幾種應(yīng)用，包括智能抓取器、可調(diào)邏輯門和可切換光學(xué)特性的元件，這些應(yīng)用展示了元流體在不同壓力下的多功能性。

圖3 ?對超流體進(jìn)行功能編程? 2024 Springer Nature

圖4 ?利用非線性實現(xiàn)可調(diào)流變學(xué)? 2024 Springer Nature

三、【科學(xué)啟迪】

研究人員成功展示了通過利用彈性殼體可逆的屈曲變形來創(chuàng)造一種新型超流體。這種超流體不僅具有可編程的壓縮性、可變的光學(xué)特性和可調(diào)整的粘度，而且它的多功能性為其在多種應(yīng)用中提供了巨大的潛力。例如，可適應(yīng)的抓手和可重構(gòu)的邏輯門的開發(fā)已經(jīng)證明了其實用價值。進(jìn)一步地，研究人員預(yù)期這種超流體的可編程特性將對其聲學(xué)和熱力學(xué)特性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，進(jìn)而提升熱力循環(huán)效率和定制化聲波傳播。這些進(jìn)展得益于能夠識別并產(chǎn)生預(yù)期反應(yīng)的殼體混合物的反向設(shè)計平臺。例如，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜非線性行為的反向設(shè)計超流體，能夠通過簡單地更換流體來改變軟致動器的功能，無需為每個新任務(wù)重新設(shè)計致動器。此外，這種超流體還為開發(fā)智能液壓減震器鋪平了道路，這種減震器可以根據(jù)沖擊的具體情況調(diào)整其能量耗散。最后，盡管本研究主要關(guān)注緩慢的加載過程，超流體在動態(tài)壓力下可能引發(fā)的空間雪崩式斷裂事件和波傳播現(xiàn)象，也展現(xiàn)了其在未來研究中的潛在興趣點。

原文詳情：Shell buckling for programmable metafluids (Nature2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07163-z)

本文由賽恩斯供稿。