Антигравитационный перенос капель воды: Материал направляет механическую энергию в нужное русло
Ученые из RIKEN Center for Emergent Matter Science изобрели композитный материал, который направляет механическую энергию в определенном направлении. Этот гидрогель со встроенными нанонаполнителями может произвести революцию в использовании растраченной колебательной энергии.
Исследовательская группа под руководством ученых из RIKEN Center for Emergent Matter Science разработала уникальный материал на основе нанонаполнителей, встроенных в гидрогель, который может направлять механическую энергию в одном направлении, но не в другом, действуя «невзаимно». Используя композитный материал, который может быть изготовлен в различных размерах, специалисты смогли при помощи колебательных движений вверх-вниз заставить капли жидкости подниматься внутри материала. Таким образом, с помощью этого материала можно использовать случайные вибрации для перемещения вещества в нужном направлении.
Направление энергии в нужное русло — важное свойство, которое, собственно, и делает жизнь возможной. Многие основные биологические функции, такие как фотосинтез и клеточное дыхание, становятся возможными благодаря тому, что случайные флуктуации в природе направляются не в пользу энтропии, а в сторону ее уменьшения, как это делает знаменитый демон Максвелла. Устройства, обеспечивающие преимущественное движение энергии, используются во многих областях, например, в электричестве, где они позволяют преобразовывать переменный ток в постоянный, а также в фотонике, магнетизме и звуке. Однако создать устройства, направляющие механическую энергию, которые также могут иметь множество потенциальных применений, оказалось сложнее.
Гидрогель для направления механической энергии в нужном направлении. Кредит: RIKEN
Теперь группа специалистов под руководством RIKEN разработала замечательный, но однородный материал, который относительно легко производить и который может выполнять эту функцию. Для его создания группа использовала гидрогель — мягкий материал, состоящий в основном из воды, — состоящий из полиакриламидной сети, и внедрила в него под углом нанонаполнители из оксида графена. Гидрогель закреплен на полу таким образом, что при воздействии сдвигающей силы верхняя часть может двигаться, а нижняя — нет. А наполнители установлены под углом, так, чтобы они располагались под углом по часовой стрелке сверху вниз.
При приложении сдвигающей силы влево, в направлении, в котором расположены нанонаполнители, они прогибаются и, следовательно, теряют свою прочность. Но в другом направлении, когда они направлены в сторону от действия силы, приложенный сдвиг лишь заставляет их растягиваться еще больше, и они сохраняют свою прочность. Это позволяет листу деформироваться в одном направлении, но не в другом, и фактически группа измерила эту разницу, обнаружив, что материал примерно в 60 раз более устойчив в одном направлении, чем в другом.
Применение гидрогеля для антигравитационной транспортировки капель воды. Credit: RIKEN
В качестве эксперимента, демонстрирующего, что это может быть на самом деле, они создали блок материала и поместили его на вибрирующую подставку. В зависимости от того, как он был спроектирован и ориентирован, материал мог пропускать через себя колебания, заставляя капли двигаться вправо или влево, или даже вверх по сети, но не вниз. Они также могли использовать колебательное движение для приведения в движение кругового движения, которое можно было регулировать по часовой или против часовой стрелки. В случае вертикальной ориентации, когда в гидрогель вводились капли цветной жидкости, они, как по волшебству, двигались вверх, а чередующиеся колебательные движения, которые обычно не приносят никакой пользы, направлялись на создание движения сети.
Наконец, в качестве дополнительного испытания группа в сотрудничестве с исследователями из программы RIKEN Hakubi Fellows поместила червей C. elegans на материал, и хотя их движения обычно случайны, в итоге все они переместились на ту или иную сторону гидрогеля, в зависимости от его ориентации.
По словам Ясухиро Ишиды из Центра эмерджентных наук о материи RIKEN, руководившего работой, «это был замечательный и удивительный результат — увидеть, как механическая энергия может быть направлена предпочтительно в одном направлении, причем таким четким способом и с использованием материала, который достаточно прост в изготовлении и вполне масштабируем. В будущем мы планируем найти применение этому материалу, надеясь, что с его помощью мы сможем эффективно использовать колебательную энергию, которая до сих пор рассматривалась как отходы».
Справка: «Механическая невзаимность в однородном композитном материале» Сян Ван, Жихао Ли, Шуксу Ван, Коки Сано, Жифанг Сун, Чжэньхуа Шао, Асука Такеиши, Сейширо Мацубара, Дай Окумура, Нобуюки Сакаи, Такайоши Сасаки, Такузо Аида и Ясухиро Ишида, 13 апреля 2023 г., Science . DOI: 10.1126/science.adf1206
