一、哈佛【科學背景】
對功能增強材料的大學追求導致了超材料的出現。超材料是可編一種人工設計的材料，其性能由其結構而非成分決定。程智材料超材料可以實現自然界中不存在的超牛物理現象，如負折射率、流體完美透鏡和隱身斗篷等。哈佛傳統上，大學超材料的可編構件是在晶格結構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，能夠適應其容器的哈佛形狀，而無需對其組成元素進行精確排列。大學這種材料的可編設計理念是通過在流體中混合特定的結構單元（如高度可變形的球形膠囊）來實現新的物理特性和功能。
二、【創新成果】
受這些最新進展的啟發，哈佛大學Katia Bertoldi教授、Benjamin Gorissen教授等人在Nature發表了題為“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，實現具有可編程的壓縮性、光學行為和粘度的“超流體”。首先，研究人員通過實驗和數值計算證明，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了智能機器人系統、高度可調的邏輯門和具有可切換特性的光學元件，最后證明了屈曲時殼體的坍塌導致層流狀態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，用于通過擴展流體本身的能力來增強現有流體設備的功能。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打印模具進行制備。膠囊內部充滿空氣，以便在外部壓力作用下發生屈曲。為了系統地探索膠囊對超流體響應的影響，研究人員進行了有限元分析。
圖2 ?超流體建模? 2024 Springer Nature
基于對膠囊屈曲行為的理解，研究人員開發了幾種應用，包括智能抓取器、可調邏輯門和可切換光學特性的元件，這些應用展示了元流體在不同壓力下的多功能性。
圖3 ?對超流體進行功能編程? 2024 Springer Nature
圖4 ?利用非線性實現可調流變學? 2024 Springer Nature
三、【科學啟迪】
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、可變的光學特性和可調整的粘度，而且它的多功能性為其在多種應用中提供了巨大的潛力。例如，可適應的抓手和可重構的邏輯門的開發已經證明了其實用價值。進一步地，研究人員預期這種超流體的可編程特性將對其聲學和熱力學特性產生深遠影響，進而提升熱力循環效率和定制化聲波傳播。這些進展得益于能夠識別并產生預期反應的殼體混合物的反向設計平臺。例如，能夠實現復雜非線性行為的反向設計超流體，能夠通過簡單地更換流體來改變軟致動器的功能，無需為每個新任務重新設計致動器。此外，這種超流體還為開發智能液壓減震器鋪平了道路，這種減震器可以根據沖擊的具體情況調整其能量耗散。最后，盡管本研究主要關注緩慢的加載過程，超流體在動態壓力下可能引發的空間雪崩式斷裂事件和波傳播現象，也展現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。
