这瓶发了Nature的超流体，说不定你儿时也玩过

从木材和石头到陶瓷和青铜，再到塑料和纳米材料，人类对于先进材料的追求一直未变。而近年来超材料（metamaterials）的出现，正是这种不断追求的最新成果。超材料指的是性质由其结构而不是组成成分决定的人造工程材料，往往具有天然材料或常规材料所不具备的特殊性质。传统上，超材料的组成单元排列在晶格结构中的固定位置，也就是说，目前问世的绝大多数超材料都是固体。比如，可响应外界温度、电、力等多种信号的剪纸超材料（Adv. Mater., 2017, 29, 1604262, 点击阅读详细），由高纵横比的二氧化钛纳米阵列构成的超材料透镜（Science, 2016, 352, 1190, 点击阅读详细），在外力压缩下会产生扭转的超材料（Science, 2017, 358, 1072, 点击阅读详细），高可拉伸、低/负泊松比的多孔气凝胶超材料（Adv. Funct. Mater., 2023, 34, 2308537, 点击阅读详细），如此等等。与固体超材料不同，超流体（metafluids）可以流动以及适应容器形状，无需对其组成进行精确的排列。近来的研究也表明，在流体介质中混合互不相连的组成单元对于构建流体超材料而言很有潜力。

近日，哈佛大学Katia Bertoldi与Benjamin Gorissen等研究者在Nature 杂志上报道了一种结构简单到“令人发指”的超流体。他们将高度可变形的球形胶囊混入不可压缩流体中，实现了具有可编程压缩性、光学性质和粘度的超流体材料。这么描述是不是看起来不够简单？那笔者就换种说法，把弹性空心小球封装在装满水的玻璃瓶里，这就是新型超流体材料（各位读者有没有回忆起点什么？）。

多个球形胶囊悬浮液加压及减压变化。图片来源：Nature

当然，能发Nature的工作不会真如此简单。作者首先通过实验和计算证明了胶囊壳的形变使得流体具有高度非线性的行为。随后，他们利用这种行为开发了智能“机器手”、高度可调的逻辑门和具有可切换性质的光学元件。最后，他们证明了胶囊壳在形变时的坍缩导致层流状态下超流体粘度的大幅增加。这种超流体材料扩展了流体本身的能力，并为增强现有流体装置的功能提供了一个很有前途的平台。

包含高度可变形球形胶囊的超流体。图片来源：Nature

首先，他们使用3D打印的模具由硅橡胶来制备厘米级大小胶囊，胶囊中充满空气。如上图a所示，将胶囊放入一定体积的玻璃圆柱形容器中，并将其完全装满水。然后，再通过注射泵缓慢注入额外体积（ΔV）的水来加压，并使用差压传感器测量容器内的压力。他们先将外半径10 mm、厚度2 mm的单个胶囊放入300 ml的容器中，发现一个很有意思的现象，仅仅多了1个弹性胶囊，所记录的压力-容积曲线却与纯水表现出很大不同。胶囊的存在使流体表现的更可压缩（降低初始体积弹性模量至31 MPa），并且在临界压力（120 kPa）下观察到了突然的压降。该压降产生的原因是弹性胶囊壳发生形变，被压出了一个凹窝，随着ΔV的增加，这种情况变得更加明显（上图b）。而减少ΔV使得悬浮液减压，当压力低于临界压力（50 kPa）时，凹窝尺寸逐渐减小，胶囊弹回呈球形，导致迟滞响应。随后，作者测试了在更大的容器中放一个更大的球形胶囊，以及在一个容器中放入多个（27个）球形胶囊，同样观察到了流体的高度非线性行为，且初始体积弹性模量和临界压力都可独立调节。值得注意的是，在含多个球形胶囊的超流体中，大致相同的压力下多个球形胶囊分别发生形变，出现多个小的压降，从而在整体上出现了一个压力平台期（上图c）。实际应用中，上述实验的厘米级球形胶囊可能并不合适，因而作者制备了外半径250 μm、厚度65 μm的聚二甲基硅氧烷球形胶囊，并将其悬浮液至于注射器中进行压力-体积曲线测试（上图d-f）。微米级的球形胶囊悬浮液表现出与厘米级胶囊相似的非线性行为，表明此种超流体的响应与胶囊大小无关。作者还进行了计算模拟及建模研究，进一步验证了上述实验结果。

超流体的功能演示。图片来源：Nature

接下来，作者利用这种超流体的高度非线性行为来实现一些功能。首先，基于此前观察到的压力平台期，他们制作了在相同输入驱动下抓取不同大小和抗压强度物体的“机器手”。更具体地说，他们设计了一个由加压流体驱动的双颚平行夹持器（上图a），测试了三个不同的物体：直径60毫米、重160克的玻璃瓶，直径约25毫米、重16克的鸡蛋，直径约10毫米、重0.5克的蓝莓。为了成功抓取，ΔV必须足够大，以使“机器手”能够到物体并承受其重量；但ΔV又不能太大，以避免产生过大的力将鸡蛋或蓝莓压碎（上图a）。当使用水或空气作为流体来驱动时，都不能成功地抓住所有三个物体，要么够不到要么压爆；而使用本文的超流体来驱动时，“机器手”可在相同ΔV条件下成功抓住所有三个物体。要知道，在目前的传统液压系统中，机器手需要某种传感或外部控制来调整其抓握力，才能抓取不同大小和抗压强度的物体。但如果使用这种超流体驱动，“机器手”就不需要感应了，超流体本身会做出响应，从而能够拿起一个重些的玻璃瓶、一个易碎的鸡蛋和一颗小小的蓝莓，而不需要额外的编程。

超流体光学性质的变化。图片来源：Nature

当暴露在不断变化的压力下时，这种流体也会改变其光学性质。作者测试了含微米级球形胶囊悬浮液的透光率，发现在临界压力下，透光率突然从8%增加到30%，这可能要归因于透镜效应和胶囊在坍缩状态下覆盖面积的减少。如此大的透射率变化使得位于超流体下方的哈佛大学标志变得更加清晰（上图）。研究人员还发现，当胶囊呈球形时，超流体的行为类似牛顿流体，这意味着它的粘度只会随着温度的变化而变化。然而，当胶囊受压坍缩时，超流体会变成非牛顿流体，它的粘度会随着剪切力的变化而变化——剪切力越大，流动性越好。这是第一个可以在牛顿态和非牛顿态之间转换的超流体。

超流体的流变性调控。图片来源：Nature

接下来，作者的目标是探索此种超流体的声学和热力学性质。Bertoldi教授说，“这种超流体可规模化，易于生产，应用空间相当广大。”^[1]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Shell buckling for programmable metafluids

Adel Djellouli, Bert Van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Gorissen & Katia Bertoldi 

Nature, 2024, 628, 545–550, DOI: 10.1038/s41586-024-07163-z

参考资料：

1. Intelligent liquid - Researchers develop metafluid with programmable response

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

（本文由焰君撰稿）