一种模糊了物态界限的流体

固体、气体、液体，都是我们熟悉的物态，它们拥有各不相同的性质。例如，气体可以被压缩，而液体则不能；固体有固定的形状，但气体和液体的形状可以根据容器的形状而变化。

在一项新发表于《自然》杂志的新研究中，哈佛大学的一组研究人员开发了一种模糊了这些物态之间的界限的“超构流体”（metafluid）。

超构流体材料

超构流体是超构材料中的一种。超构材料是一类人工工程材料，其性能取决于结构，而非成分。多年来，超构材料已广泛应用于各种领域，但目前的大多数超构材料都是固体。与固体超构材料不同的是，超构流体具有独特的流动能力，可以适应容器的形状。‍

而在这项新的研究中，研究人员利用在实验室中开发的一种高度可扩展的制造技术，制造了数十万个充满空气的高度可变形的球形胶囊，并将它们悬浮在一种常规的液体——硅油中。

这种新型的超构流体是由一些微小的、充满了气体的弹性体球体悬浮在硅油中构成的。（图/Nature）

当液体内部的压力增加到超过一个阈值时，这些胶囊就会坍缩，形成透镜状的半球体。当压力消失时，胶囊就会弹回球形。这会引起超构流体的体积发生明显的变化，从根本上改变这种流体的特性，比如黏度和不透明度。这些特性可以通过改变液体中胶囊的数量、厚度和大小来调节。从某种意义上，这意味着这种超构流体的行为类似于可以被压缩的气体。

当压力从液体中移除时，胶囊就会弹回球形。（图/Adel Djellouli/Harvard SEAS）

独特的性质

接着，研究人员将这些超构流体装入一个液压机器人夹持器内，通过让夹持器抓取一个玻璃瓶、一个鸡蛋和一颗蓝莓，他们展示了这种液体具有可编程性。在传统的空气或水驱动的传统液压系统中，机器人将需要依靠传感或外部控制来调整抓力，才能在不压碎物体的情况下抓取所有物体。但有了这种超构流体，就不再需要有传感了。

这种液体本身会对不同的压力做出反应，改变它的柔度，进而可以在无需额外编程的情况下，调整夹持器的力量，使它能够拿起一个重的瓶子、一个易碎的鸡蛋和一颗小蓝莓。也就是说，研究人员利用超构流体，创造出了一个简单的智能机器人。

此外，当暴露在不断变化的压力下时，这种超构流体也会改变光学特性。当胶囊呈圆形时，它们会散射光，使液体变得不透明，就像气泡使充气水呈现白色一样。但当施加压力时，胶囊会坍缩，它们就像微透镜一样，可以聚焦光线，使液体透明。这些光学特性可用于一系列应用，例如根据压力改变颜色的电子墨水。

哈佛大学的标志上，超构流体在清澈和不透明之间切换。（图/Adel Djellouli/Harvard SEAS）

研究人员还证实了，当胶囊呈球形时，超构流体的行为就像牛顿流体，这意味着它的黏度只会随着温度的变化而变化。然而，当胶囊坍缩时，悬浮液会变成非牛顿流体，这意味着它的黏度会随着剪切力的变化而变化——剪切力越大，它就越具有流动性。这是第一个在牛顿态和非牛顿态之间转换的超构流体。

广阔的应用前景

接下来，研究人员计划将进一步探索超构流体的声学和热力学性质。他们表示，这项成果目前只触及了这种新型的超构流体的“表面”。未来，从液压致动器到编程机器人，再到可以从透明转换成不透明的光学设备，这些可扩展的、易于生产的超构流体，将拥有巨大的应用空间。不同领域的科学家将可以利用这个平台，实现许多不同的目标。

#创作团队：

编译：小雨

排版：雯雯

#参考来源：

https://seas.harvard.edu/news/2024/04/intelligent-liquid

https://www.nature.com/articles/d41586-024-00888-x

#图片来源：

封面图&首图：Adel Djellouli. Image generated by DALL-E