In een baanbrekende ontdekking, Onderzoekers van de Universiteit van Wollongong (UOW) hebben een "hartslag" -effect gecreëerd in vloeibaar metaal, waardoor het metaal ritmisch pulseert op een manier die vergelijkbaar is met een kloppend hart.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het nummer van 11 juli van: Fysieke beoordelingsbrieven , 's werelds belangrijkste tijdschrift voor fundamenteel natuurkundig onderzoek.

De onderzoekers produceerden de hartslag door elektrochemisch een druppel vloeibaar gallium te stimuleren, waardoor het op een regelmatige en voorspelbare manier oscilleert. Gallium (Ga) is een zacht zilverachtig metaal met een laag smeltpunt, vloeibaar worden bij temperaturen hoger dan 29.7C.

De ontdekking heeft potentiële toepassingen voor op vloeistof gebaseerde timers en actuatoren in kunstmatige spieren, zachte robotica en "lab-on-a-chip" microfluïdische circuits.

Professor Xiaolin Wang, een knooppuntleider en themaleider bij het ARC Centre of Excellence for Future Low Energy Electronics Technologies (FLEET), leidde het onderzoeksteam van UOW's Institute for Superconducting and Electronic Materials binnen het Australian Institute for Innovative Materials.

"Door een speciale elektrode te ontwerpen en spanning toe te passen op druppels vloeibaar metaal, konden we het metaal laten bewegen als een kloppend hart, ' zei professor Wang.

Hoewel soortgelijke hartslageffecten eerder zijn gecreëerd in vloeibaar kwik, dit produceert een grillige beweging die moeilijk te deactiveren of te controleren is. Kwik heeft als bijkomend nadeel dat het zeer giftig is.

Vloeibaar gallium, daarentegen, is niet giftig en produceert een regelmatige beweging (bij frequenties variërend van 30-100 slagen per minuut, afhankelijk van de invloed van de zwaartekracht en de grootte van de druppel), waardoor het potentieel veel nuttiger is.

Professor Wang zei dat zijn onderzoek naar vloeibare metalen deels werd geïnspireerd door biologische systemen en deels door sciencefiction, inclusief de vormveranderende, vloeibaar metaal "T-1000" robot in de door James Cameron geregisseerde film Terminator 2:Dag des Oordeels .

"Naar mij, niets is fictie – sciencefiction is een wetenschappelijk feit dat nog niet is ontdekt. Als ik een effect zie in sciencefiction, denk ik na over hoe we die functionaliteit in het echte leven kunnen creëren, " hij zei.

"Ik wil geen Terminator-robot maken, maak je geen zorgen, maar de functionaliteit van de vloeibare robot kan nuttig zijn in de echte wereld, dus ik wilde meer functionaliteiten in vloeibaar metaal ontdekken.

"De vloeibare robot van Terminator 2 had twee functionaliteiten. Een daarvan was om de vorm te veranderen en vervolgens te herstellen. De tweede was om van een zachtere naar een hardere toestand te veranderen - als je je de scène herinnert waarin het zijn arm uitstak en het in een zwaard veranderde, het veranderde van een zacht metaal in een hard metaal.

"Die twee functionaliteiten zijn ontdekt. ​​Een groep in China en een andere groep in de Verenigde Staten ontdekten de eerste, van vorm veranderen en het dan herstellen, en het was mijn onderzoeksgroep hier bij UOW die het tweede fenomeen ontdekte, overgang van een zachte toestand naar een harde toestand door een spanning aan te leggen.

"We hebben ook een manier ontwikkeld om patronen direct te vormen, inclusief schrijven, op vloeibaar metaal zonder het aan te raken. Mijn aanvankelijke idee was om een ​​manier te vinden om het "graancirkels"-effect in ons laboratorium te reproduceren.

"En nu hebben we in vloeibaar metaal een functionaliteit gecreëerd die zelfs James Cameron niet kon bedenken:hoe het te laten bewegen als een kloppend hart."

Terwijl het onderzoekspaper zich richt op de fundamentele fysica van de doorbraak - begrijpen hoe en waarom het vloeibare gallium zich gedraagt ​​zoals het doet - in plaats van op de toepassingen ervan, Professor Wang zei dat er een aantal mogelijke toepassingen waren.

"Er zijn zoveel toepassingen voor apparaten die zijn gebouwd met zachtere materialen, " hij zei.

"Zachte robotica is onze toekomst. Om zachte robots te ontwikkelen, hebben we een kracht nodig om het zachte weefsel te laten bewegen, zo heel natuurlijk denken we aan een zacht hart voor een zachte robot.

"In veel biologische systemen, bij mens en dier, het is het hart dat alles aandrijft. Dus een metalen hartslag kan als pomp worden gebruikt, als de drijvende kracht om vloeistof door een kanaal te transporteren."

Dr. David Cortie, een ISEM-onderzoeker en een van de co-auteurs van het artikel, zei dat de zelfregulerende aard van de vloeibare gallium-hartslag het een goede kandidaat maakte voor een aantal toepassingen.

"De timing van de hartslag komt van nature voor, je hoeft geen ingewikkelde elektronica toe te passen om de timing te laten werken, daarom is zelfregulerend pompen een mogelijkheid, ' zei dokter Cortie.

"Iets anders dat we voorstelden, waren oscillatoren. In de elektronica heb je vaak een timingcontrole nodig, bijvoorbeeld iets dat twee keer per seconde een puls stuurt, dus naar analogie, deze functionaliteit kan nuttig zijn voor op vloeistof gebaseerde timers in microfluïdische circuits."

'Ontdekking van een door spanning gestimuleerd hartslageffect in druppels vloeibaar gallium' door Zhenwei Yu, Yuchen Chen, Frank F. Yun, David Cortie, Lei Jiang, en Xiaolin Wang wordt op 11 juli gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .