Composietmateriaal kan mechanische energie in een gewenste richting kanaliseren

Een onderzoeksgroep onder leiding van wetenschappers van het RIKEN Centre for Emergent Matter Science heeft een uniek materiaal ontwikkeld, gebaseerd op nanovullers ingebed in een hydrogel, dat mechanische energie in de ene richting kan kanaliseren maar niet in de andere, op een “niet-wederkerige” manier.

Met dit composietmateriaal – dat in verschillende maten kan worden geconstrueerd – was het team in staat vibrerende op en neergaande bewegingen te gebruiken om vloeistofdruppeltjes tegen de zwaartekracht in in een materiaal te laten opstijgen. Het gebruik van dit materiaal zou het dus mogelijk kunnen maken om gebruik te maken van willekeurige trillingen en materie in een gewenste richting te laten bewegen.

Het onderzoeksrapport van het team wordt gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap.

Het kanaliseren van energie in een gewenste richting is een belangrijke eigenschap die het leven daadwerkelijk mogelijk maakt. Veel biologische basisfuncties zoals fotosynthese en cellulaire ademhaling worden mogelijk gemaakt door willekeurige fluctuaties in de natuur op een niet-wederkerige manier te kanaliseren, om een ​​systeem weg te drijven van toenemende entropie, zoals de beroemde demon van Maxwell.

Apparaten die ervoor zorgen dat energie bij voorkeur kan bewegen, bevinden zich bijvoorbeeld in de elektronica, waar ze ervoor zorgen dat wisselstroom wordt omgezet in gelijkstroom. Soortgelijke apparaten worden gebruikt op het gebied van fotonica, magnetisme en geluid. Ondanks de vele mogelijke toepassingen, is het echter moeilijker gebleken om apparaten te maken die mechanische energie kanaliseren.

Nu heeft een door RIKEN geleide groep een opmerkelijk maar uniform materiaal ontwikkeld dat relatief eenvoudig te produceren is en deze functie kan vervullen. Om het te maken, gebruikte de groep een hydrogel – een zacht materiaal dat voornamelijk uit water en een polyacrylamidenetwerk bestaat – en ingebedde grafeenoxide-nanovullers erin onder een gekantelde hoek. De hydrogel wordt op de vloer bevestigd, zodat het bovenste deel kan bewegen als er een schuifkracht op komt te staan, maar de onderkant niet. De vullers zijn onder een schuine hoek geplaatst, zodat ze met de klok mee van boven naar beneden draaien.

Wanneer een afschuifkracht van rechts naar links wordt uitgeoefend op de scheve nanovullers, hebben ze de neiging om te knikken en verliezen ze hun weerstand. Maar als de kracht uit de andere richting komt en de nanovullers er van af zijn gericht, zorgt de toegepaste afschuiving ervoor dat ze alleen maar langer uitrekken en behouden ze hun kracht. Hierdoor kan de plaat in de ene richting vervormen, maar niet in de andere. De groep mat dit verschil en ontdekte dat het materiaal ongeveer 60 keer zo resistent was in de ene richting dan in de andere.

Als experiment om te demonstreren wat dit werkelijk zou kunnen doen, creëerden ze een blok van het materiaal en plaatsten dat op een trillende standaard. Afhankelijk van de kantelrichting van de ingebedde nanovullers, kon het materiaal de trillingsenergie door het materiaal kanaliseren om druppels naar rechts of links te laten bewegen. Ze zouden de trillingen ook kunnen gebruiken om een ​​cirkelvormige beweging aan te drijven die met de klok mee of tegen de klok in kan worden bestuurd. Bij het verticaal opstellen van de trilstandaard, bewogen druppels gekleurde vloeistof die op de hydrogel werden geplaatst als bij toverslag tegen de zwaartekracht in omhoog. Op deze manier werden wisselende trillingsbewegingen, die meestal geen enkel nut hebben, gekanaliseerd om netbeweging te creëren.

Als laatste test plaatste de groep, in samenwerking met onderzoekers van het RIKEN Hakubi Fellows-programma, Caenorhabditis elegans-wormen op het materiaal, en hoewel hun bewegingen normaal gesproken willekeurig zijn, bewoog ze uiteindelijk allemaal naar de ene of de andere kant van de hydrogel. , afhankelijk van de kantelrichting van de ingebedde nanofillers.

Volgens Yasuhiro Ishida van het RIKEN Center for Emergent Matter Science, die het project leidde: “Het was een opmerkelijk en verrassend resultaat om te zien hoe mechanische energie bij voorkeur in één richting kon worden gekanaliseerd, op zo’n duidelijke manier, en door een materiaal te gebruiken dat is vrij eenvoudig te maken en behoorlijk schaalbaar. In de toekomst zijn we van plan om toepassingen voor dit materiaal te vinden, in de hoop dat we het kunnen gebruiken om effectief gebruik te maken van trillingsenergie, die tot nu toe als afval werd beschouwd. ”