Des chercheurs mettent au point un métafluide à réaction programmable

Des chercheurs américains ont mis au point un métafluide programmable aux propriétés ajustables, notamment en termes d’élasticité, d’optique, de viscosité et même de capacité à passer d’un fluide newtonien à un fluide non newtonien. Unique en son genre, ce métamatériau pourrait permettre la conception de nombreuses applications dans des domaines variés, allant de l’actionnement hydraulique à la robotique, en passant par les amortisseurs intelligents et les dispositifs optiques.

Le métafluide développé par l’équipe de recherche utilise une suspension de petites sphères d’élastomère, dont la taille varie entre 50 et 500 microns. Ces sphères ont la particularité de se déformer sous l’effet de la pression, modifiant ainsi radicalement les caractéristiques du fluide. Cette approche innovante permet de créer un métafluide aux propriétés ajustables et programmables.

Adel Djellouli, chercheur associé en science des matériaux et en génie mécanique à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et premier auteur de l’étude, souligne le potentiel immense de cette nouvelle classe de fluides : « Nous ne faisons qu’effleurer la surface de ce qui est possible avec ce nouveau type de fluide. Avec cette plateforme unique, vous pouvez faire tellement de choses différentes dans de nombreux domaines. »

Des métamatériaux solides aux métafluides adaptables

Jusqu’à présent, la plupart des métamatériaux, comme les métalentilles mises au point dans le laboratoire de Federico Capasso, professeur de physique appliquée à la SEAS, étaient des matériaux solides. L’équipe de recherche a voulu aller plus loin en créant un métafluide capable de s’écouler et de s’adapter à la forme de son contenant, tout en offrant une plateforme pour programmer la viscosité, la compressibilité et les propriétés optiques.

Katia Bertoldi, professeure de mécanique appliquée à la SEAS et auteure principale de l’étude, explique : « Notre objectif était de créer un métafluide qui non seulement possède ces attributs remarquables, mais fournit également une plateforme pour programmer la viscosité, la compressibilité et les propriétés optiques. »

Une technique de fabrication hautement évolutive

L’équipe de recherche a utilisé une technique de fabrication hautement évolutive développée dans le laboratoire de David A. Weitz, professeur de physique à la SEAS, pour produire des centaines de milliers de capsules sphériques hautement déformables remplies d’air et suspendues dans de l’huile de silicone. Lorsque la pression à l’intérieur du liquide augmente, les capsules s’effondrent, formant une demi-sphère semblable à une lentille. Lorsque cette pression est supprimée, les capsules reprennent leur forme sphérique.

Cette transition modifie de nombreuses propriétés du liquide, notamment sa viscosité et son opacité. Ces propriétés peuvent être ajustées en modifiant le nombre, l’épaisseur et la taille des capsules dans le liquide.

Des applications prometteuses dans la robotique et l’optique

Les chercheurs ont démontré la programmabilité du liquide en chargeant le métafluide dans une pince robotique hydraulique et en lui faisant saisir une bouteille en verre, un œuf et une myrtille. Grâce au métafluide, aucune détection n’est nécessaire. Le liquide lui-même réagit à différentes pressions, modifiant sa compliance pour ajuster la force de la pince afin de pouvoir saisir une bouteille lourde, un œuf délicat et une petite myrtille, sans programmation supplémentaire.

Adel Djellouli souligne : «Nous montrons que nous pouvons utiliser ce fluide pour doter d’intelligence un robot simple.»

Le métafluide change également ses propriétés optiques lorsqu’il est exposé à des pressions variables. Lorsque les capsules sont sphériques, elles diffusent la lumière, rendant le liquide opaque. Mais lorsque la pression est appliquée et que les capsules s’effondrent, elles agissent comme des microlentilles, focalisant la lumière et rendant le liquide transparent. Ces propriétés optiques pourraient être utilisées pour une gamme d’applications, telles que les encres électroniques qui changent de couleur en fonction de la pression.

Une transition entre les états newtonien et non newtonien

Les chercheurs ont également montré que lorsque les capsules sont sphériques, le métafluide se comporte comme un fluide newtonien, ce qui signifie que sa viscosité ne change qu’en réponse à la température. Cependant, lorsque les capsules sont effondrées, la suspension se transforme en un fluide non newtonien, ce qui signifie que sa viscosité change en réponse à la force de cisaillement – plus la force de cisaillement est importante, plus le fluide devient fluide. C’est le premier métafluide qui a été montré comme capable de passer d’un état newtonien à un état non newtonien.

Katia Bertoldi conclut : «L’espace d’application de ces métafluides évolutifs et faciles à produire est immense.» Les chercheurs visent maintenant à explorer les propriétés acoustiques et thermodynamiques du métafluide, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles perspectives passionnantes dans de nombreux domaines.

Article : « Shell buckling for programmable metafluids » – DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07163-z