Metafluidos: Vêm aí os líquidos inteligentes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/04/2024

Já contamos com materiais sólidos inteligentes há algum tempo - agora chegou a vez dos líquidos inteligentes.
[Imagem: Adel Djellouli/Gerado por IA DALL-E]

Materiais artificiais sólidos e líquidos

Pesquisadores da Universidade de Harvard, nos EUA, desenvolveram um metafluido programável com elasticidade, propriedades ópticas e viscosidade ajustáveis - ele tem até mesmo a capacidade de transição entre um fluido newtoniano e um fluido não newtoniano.

Metafluidos são fluidos artificiais, projetados para a função que se deseja deles. É um campo emergente, o complemento que faltava aos metamateriais, materiais artificialmente projetados cujas propriedades são determinadas pela sua estrutura, e não pela sua composição química. Os metamateriais têm sido amplamente utilizados em diversas aplicações há anos, mas eles são tipicamente sólidos.

"Ao contrário dos metamateriais sólidos, os metafluidos têm a capacidade única de fluir e se adaptar ao formato do seu recipiente," comparou a pesquisadora Katia Bertoldi. "Nosso objetivo era criar um metafluido que não apenas possuísse esses atributos notáveis, mas também fornecesse uma plataforma para viscosidade, compressibilidade e propriedades ópticas programáveis."

Metafluido

O primeiro fluido artificial do seu tipo - talvez pareça estranho, mas também existem metafluidos sólidos - consiste em uma suspensão de pequenas esferas de elastômero, entre 50 e 500 micrômetros de diâmetro, que se curvam sob pressão, alterando radicalmente as características do fluido.

O metafluido pode ser usado em tudo, desde atuadores hidráulicos e para programar robôs, até amortecedores inteligentes, que podem dissipar energia dependendo da intensidade do impacto, ou dispositivos ópticos que façam a transição de transparente para opaco.

"Estamos apenas arranhando a superfície do que é possível com esta nova classe de fluido," disse o pesquisador Adel Djellouli. "Com esta plataforma, você pode fazer muitas coisas diferentes em muitos campos diferentes."

Detalhe do metafluido mudando de fase - algumas esferas ainda estão intactas, outras já assumiram o formato hemisférico.
[Imagem: Adel Djellouli/Harvard SEAS]

Fluido responsivo

A equipe produziu centenas de milhares de cápsulas esféricas altamente deformáveis, cheias de ar, e as colocou em suspensão em óleo de silício - a técnica de fabricação foi desenvolvida no laboratório, mas é facilmente escalonável para fabricação em larga escala.

Quando a pressão dentro do líquido aumenta, as cápsulas colapsam, formando uma meia esfera semelhante a uma lente. Quando essa pressão é removida, as cápsulas voltam à sua forma esférica.

Essa transição aparentemente inocente altera muitas das propriedades do líquido, incluindo a sua viscosidade e sua opacidade. Essas propriedades podem ser ajustadas simplesmente alterando a pressão, mas a mudança de fase também pode ser controlada alterando o número, a espessura e o tamanho das cápsulas no líquido.

Os pesquisadores demonstraram a programabilidade do líquido carregando o metafluido em uma pinça robótica hidráulica e fazendo com que a pinça pegasse uma garrafa de vidro, um ovo e um mirtilo. Em um sistema hidráulico tradicional, alimentado por ar ou água, o robô precisaria de algum tipo de sensoriamento ou controle externo para poder ajustar sua aderência e pegar todos os três tipos de objetos sem esmagá-los.

Mas, com o metafluido, nenhuma detecção é necessária: O próprio líquido responde a diferentes pressões, alterando a sua conformidade para ajustar a força da pinça e pegar a garrafa pesada, um ovo e o mirtilo, sem qualquer programação adicional.

O método de fabricação do metafluido é simples e pode ser ampliado facilmente.
[Imagem: Adel Djellouli et al. - 10.1038/s41586-024-07163-z]

Múltiplas aplicações

A equipe demonstrou também a programabilidade do fluido artificial, usando-o para construir uma porta lógica fluídica que pode ser reprogramada alterando o metafluido.

A pressão também pode ser usada para alterar as propriedades ópticas do metafluido. Quando as cápsulas são redondas, elas espalham a luz, tornando o líquido opaco, assim como as bolhas de ar fazem a água gaseificada parecer branca. Mas, quando se aplica pressão as cápsulas colapsam, passando a funcionar como microlentes, focando a luz e tornando o líquido transparente. Essas propriedades ópticas podem ser usadas para uma variedade de aplicações, como tintas que mudam de cor com base na pressão.

Além disso, quando as cápsulas são esféricas, o metafluido se comporta como um fluido newtoniano, o que significa que sua viscosidade só muda em resposta à temperatura. No entanto, quando as cápsulas colapsam, a suspensão transforma-se em um fluido não newtoniano, o que significa que a sua viscosidade mudará em resposta à força de cisalhamento - quanto maior a força de cisalhamento, mais fluido ele se torna. Este é o primeiro metafluido a demonstrar a transição entre estados newtonianos e não newtonianos.

A seguir, os pesquisadores pretendem explorar as propriedades acústicas e termodinâmicas do metafluido.

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