固體、氣體、液體，都是我們熟悉的物態，它們擁有各不相同的性質。例如，氣體可以被壓縮，而液體則不能；固體有固定的形狀，但氣體和液體的形狀可以根據容器的形狀而變化。
在一項新發表於《自然》雜誌的新研究中，哈佛大學的一組研究人員開發了一種模糊了這些物態之間的界限的「超構流體」（metafluid）。
超構流體材料
超構流體是超構材料中的一種。超構材料是一類人工工程材料，其性能取決於結構，而非成分。多年來，超構材料已廣泛應用於各種領域，但目前的大多數超構材料都是固體。與固體超構材料不同的是，超構流體具有獨特的流動能力，可以適應容器的形狀。
而在這項新的研究中，研究人員利用在實驗室中開發的一種高度可擴展的製造技術，製造了數十萬個充滿空氣的高度可變形的球形膠囊，並將它們懸浮在一種常規的液體——矽油中。
這種新型的超構流體是由一些微小的、充滿了氣體的彈性體球體懸浮在矽油中構成的。（圖/Nature）
當液體內部的壓力增加到超過一個閾值時，這些膠囊就會坍縮，形成透鏡狀的半球體。當壓力消失時，膠囊就會彈回球形。這會引起超構流體的體積發生明顯的變化，從根本上改變這種流體的特性，比如黏度和不透明度。這些特性可以通過改變液體中膠囊的數量、厚度和大小來調節。從某種意義上，這意味著這種超構流體的行為類似於可以被壓縮的氣體。
當壓力從液體中移除時，膠囊就會彈回球形。（圖/Adel Djellouli/Harvard SEAS）
獨特的性質
接著，研究人員將這些超構流體裝入一個液壓機器人夾持器內，通過讓夾持器抓取一個玻璃瓶、一個雞蛋和一顆藍莓，他們展示了這種液體具有可程式設計性。在傳統的空氣或水驅動的傳統液壓系統中，機器人將需要依靠傳感或外部控制來調整抓力，才能在不壓碎物體的情況下抓取所有物體。但有了這種超構流體，就不再需要有傳感了。
這種液體本身會對不同的壓力做出反應，改變它的柔度，進而可以在無需額外程式設計的情況下，調整夾持器的力量，使它能夠拿起一個重的瓶子、一個易碎的雞蛋和一顆小藍莓。也就是說，研究人員利用超構流體，創造出了一個簡單的智慧機器人。
此外，當暴露在不斷變化的壓力下時，這種超構流體也會改變光學特性。當膠囊呈圓形時，它們會散射光，使液體變得不透明，就像氣泡使充氣水呈現白色一樣。但當施加壓力時，膠囊會坍縮，它們就像微透鏡一樣，可以聚焦光線，使液體透明。這些光學特性可用於一系列應用，例如根據壓力改變顏色的電子墨水。
哈佛大學的標誌上，超構流體在清澈和不透明之間切換。（圖/Adel Djellouli/Harvard SEAS）
研究人員還證實了，當膠囊呈球形時，超構流體的行為就像牛頓流體，這意味著它的黏度只會隨著溫度的變化而變化。然而，當膠囊坍縮時，懸浮液會變成非牛頓流體，這意味著它的黏度會隨著剪切力的變化而變化——剪切力越大，它就越具有流動性。這是第一個在牛頓態和非牛頓態之間轉換的超構流體。
廣闊的應用前景
接下來，研究人員計劃將進一步探索超構流體的聲學和熱力學性質。他們表示，這項成果目前只觸及了這種新型的超構流體的「表面」。未來，從液壓致動器到程式設計機器人，再到可以從透明轉換成不透明的光學設備，這些可擴展的、易於生產的超構流體，將擁有巨大的應用空間。不同領域的科學家將可以利用這個平臺，實現許多不同的目標。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://seas.harvard.edu/news/2024/04/intelligent-liquid
https://www.nature.com/articles/d41586-024-00888-x
#圖片來源：
封面圖&首圖：Adel Djellouli. Image generated by DALL-E