Een intelligente vloeistof met programmeerbare eigenschappen

Er zijn trends die net zo snel voorbij zijn als ze verschijnen: Bubble thee is er daar één van. Bijna niemand kan zich dit vreemde drankje op basis van thee, waaraan gel-achtige bolletjes maïzena zijn toegevoegd, nog herinneren. Maar het onderzoeksteam van Katia Bertoldi aan de Harvard Universiteit in de VS had misschien wel bubble tea in gedachten toen ze in het laboratorium een nieuw soort vloeistof ontwikkelden. De zogenaamde metafluïde bestaat uit met lucht gevulde capsules van een rubberachtig materiaal, die verdeeld zijn in een vloeistof en elk een diameter hebben van tussen de 50 en 500 micrometer. Hierdoor combineert de stof de eigenschappen van een vaste stof, een vloeistof en een gas. Wanneer er een kracht op de bolletjes wordt uitgeoefend, vervormen ze. Hierdoor kan de aard van de vloeistof radicaal maar omkeerbaar worden veranderd. Het onderzoekswerk is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift "Nature".

Metamaterialen zijn kunstmatig geproduceerde materialen met optische, elektrische of magnetische eigenschappen die in de natuur niet voorkomen. Ze beloven objecten te verbergen in ruimte en tijd, waardoor ze onzichtbaar, onhoorbaar of zelfs ongrijpbaar worden. Een spannende toepassing is cloaking-apparatuur. De meeste van deze materialen zijn echter vast. "In tegenstelling tot vaste metamaterialen hebben metafluïden het unieke vermogen om te stromen en zich aan te passen aan de vorm van hun omhulsel," legt hoofdauteur en hoogleraar toegepaste mechanica Katia Bertoldi uit. Ze kunnen ook worden samengeperst als een gas. "Ons doel was om een metovloeistof te maken die ook andere ongebruikelijke eigenschappen heeft, zoals programmeerbare viscositeit, elasticiteit en instelbare optische eigenschappen."

Het team gebruikte de productietechnieken van een ander Harvard lab om honderdduizenden kleine, vormbare, met lucht gevulde capsules te maken en mengde ze vervolgens met siliconenolie. Wanneer de druk in de vloeistof toeneemt, klappen de capsules in elkaar en vormen ze een lensachtige halve bol. Wanneer de druk weer wordt weggenomen, veren ze terug in hun bolvorm. Tijdens deze overgangen veranderen verschillende eigenschappen van de vloeistof, zoals de doorschijnendheid en viscositeit. Als het aantal, de grootte en de dikte van de capsules worden veranderd, kan ook de sterkte van de reactie worden aangepast.

De onderzoekers melden bovendien dat het de eerste metafluïde is die aantoonbaar kan schakelen tussen de newtoniaanse en niet-newtoniaanse toestand. Dit laatste verwijst naar een stof waarvan het vervormingsgedrag niet lineair is. Als er een kracht op wordt uitgeoefend, gedraagt zo'n materiaal zich plotseling niet meer als een vloeistof, maar meer als een vaste stof.

De experts toonden aan dat de vloeistof programmeerbaar is door de metafluïde in een hydraulische robotgrijper te vullen en deze een glazen fles, een ei en een bosbes te laten oppakken. Met een conventioneel hydraulisch systeem dat wordt aangedreven door lucht of water, zou de robot moeten vertrouwen op een soort sensor of externe besturing om zijn greep aan te passen en alle drie de objecten op te pakken zonder ze te pletten. Maar met de metafluïde zijn er geen sensoren nodig. De vloeistof reageert zelf op verschillende drukken en verandert zijn conformiteit om de kracht van de grijper aan te passen.

"Het aantal toepassingen voor zo'n gemakkelijk te maken metafluïde is enorm," aldus Bertoldi. Het zou bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden voor intelligente schokdempers die energie afvoeren afhankelijk van de kracht van de botsing, voor optische apparaten die veranderen van helder naar ondoorzichtig of voor het programmeren van robots.

Spectrum van de wetenschap

Wij zijn partners van Spektrum der Wissenschaft en willen gefundeerde informatie toegankelijker voor je maken. Volg Spektrum der Wissenschaft als je de artikelen leuk vindt.