导读：

对具备增强功能材料的探索催生了超材料的出现 —— 这类人工设计材料的特性由其结构而非成分决定。传统上，超材料的构建单元在晶格结构中呈固定排列。然而，近期研究发现，在流体介质中混合离散的构建单元具有潜在应用价值。

受这些最新进展的启发，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院研究团队开发了一种由可变形弹性胶囊构成的超流体，并揭示其壳层在压力下的屈曲不稳定性，能赋予流体可编程的非线性力学响应、开关式光学特性与可调粘度，进而演示了其在软体机器人、智能光学元件等方面的突破性应用。相关研究以“Shell buckling for programmable metafluids”为题目，发表在期刊《Nature》上。

本文要点：

1、本文报道了一种基于可变形球形胶囊的“可编程超流体”，其特性由结构而非成分决定。

2、将弹性胶囊混入不可压缩流体中，通过壳层屈曲实现高度非线性力学响应。

3、该超流体展现出可编程的压缩性、光学特性与黏度：① 利用屈曲平台现象开发出可抓取不同尺寸物体的柔性夹具与可调逻辑门；② 胶囊塌陷导致透光率显著变化，实现可切换光学元件；③ 层流状态下胶囊屈曲会大幅增加流体黏度，并呈现剪切稀化行为。

4、总体而言，该研究为通过调控流体本身性质以增强现有流体器件的功能提供了新平台。

壳层屈曲是调控该超流体特性的核心物理机制，它通过可逆地改变胶囊形态，赋予了超流体可调控的力学、光学及流变学特性。具体如下：

1、力学特性：实现非线性压缩性与压力平台

• 当外部压力达到临界值时，球形胶囊会突然发生壳层屈曲（失稳），从球形塌陷为带有凹痕的形态。

• 这一形变会瞬间增大胶囊的容积，吸收更多流体，从而导致整体压力突然下降。在由多个胶囊组成的悬浮液中，连续的逐个屈曲便形成了宽泛的压力平台。这使得超流体的压缩性不再是常数，而是可以被编程的。

2、光学特性：实现透光率的突变开关

• 胶囊的形状直接决定了其散射光线的能力。球形胶囊会将光线强烈散射，导致流体不透光。

• 而在屈曲塌陷后，其凹痕结构会产生透镜效应，并且有效投影面积减小，从而显著降低散射，增加透光率。这使得超流体能在高透光与高散射状态之间切换，成为一个光学开关。

3、流变特性：实现粘度的剧增与剪切稀化

• 球形胶囊对流体流动的干扰相对较小，悬浮液表现为牛顿流体，粘度较低。

• 屈曲塌陷后，胶囊变成非球形的凹面结构，极易相互钩挂、形成团簇，从而显著增大流动阻力，使有效粘度大幅提升。同时，这种由团簇导致的结构在高速剪切下会被破坏，因而表现出剪切稀化的非牛顿流体特性。

总而言之，壳层屈曲充当了一个可逆的“开关”。通过简单地调节压力，就能触发这个开关，从而在宏观上精确地控制超流体是“软”还是“硬”、“透明”还是“浑浊”、“易流动”还是“粘稠”，实现了其特性的可编程性。

图1：含高可变形胶囊的超流体

图2：超流体建模

图3：超流体功能程序化设计

图4：利用非线性实现可调流变特性

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07163-z

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