Mechanische Energie in eine bevorzugte Richtung kanalisieren

Neuauflage von Plato

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Abstract:
Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Wissenschaftlern des RIKEN Center for Emergent Matter Science hat ein einzigartiges Material entwickelt, das auf in ein Hydrogel eingebetteten Nanofüllstoffen basiert und mechanische Energie in die eine, aber nicht in die andere Richtung leiten kann und auf „nichtreziproke“ Weise wirkt. Mit diesem Verbundmaterial – das in verschiedenen Größen hergestellt werden kann – war das Team in der Lage, durch vibrierende Auf- und Abbewegungen Flüssigkeitströpfchen innerhalb eines Materials gegen die Schwerkraft aufsteigen zu lassen. Der Einsatz dieses Materials könnte es somit ermöglichen, Zufallsschwingungen zu nutzen und Materie in eine bevorzugte Richtung zu bewegen.

Lenkung mechanischer Energie in eine Vorzugsrichtung

Saitama, Japan | Gepostet am 14. April 2023

Energie in eine bevorzugte Richtung zu lenken ist eine wichtige Eigenschaft, die Leben tatsächlich ermöglicht. Viele grundlegende biologische Funktionen wie Photosynthese und Zellatmung werden durch die nichtreziproke Kanalisierung zufälliger Schwankungen in der Natur ermöglicht, um ein System von der zunehmenden Entropie abzuhalten, wie den berühmten Maxwell-Dämon. Geräte, die eine bevorzugte Bewegung von Energie ermöglichen, finden sich beispielsweise in der Elektronik, wo sie die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom ermöglichen. Ähnliche Geräte werden in den Bereichen Photonik, Magnetismus und Schall eingesetzt. Doch trotz der vielen Einsatzmöglichkeiten hat sich die Entwicklung von Geräten zur Kanalisierung mechanischer Energie als schwieriger erwiesen.

Jetzt hat eine von RIKEN geführte Gruppe ein bemerkenswertes, aber einheitliches Material entwickelt, das relativ einfach herzustellen ist und diese Funktion erfüllen kann. Um es herzustellen, verwendete die Gruppe ein Hydrogel – ein weiches Material, das hauptsächlich aus Wasser und einem Polyacrylamid-Netzwerk besteht – und bettete darin in einem geneigten Winkel Graphenoxid-Nanofüllstoffe ein. Das Hydrogel ist am Boden befestigt, so dass sich der obere Teil bei Einwirkung einer Scherkraft bewegen kann, der untere jedoch nicht. Und die Füllstücke sind in einem geneigten Winkel angeordnet, sodass sie von oben nach unten im Uhrzeigersinn geneigt sind. Wenn eine Scherkraft von rechts nach links auf die geneigten Nanofüllstoffe ausgeübt wird, neigen diese dazu, sich zu verbiegen und dadurch ihren Widerstand zu verlieren. Wenn die Kraft jedoch aus der anderen Richtung wirkt und die Nanofüllstoffe davon abgewandt sind, werden sie durch die angelegte Scherung lediglich noch länger gedehnt und behalten ihre Festigkeit. Dadurch kann sich das Blech in eine Richtung verformen, in die andere jedoch nicht. Tatsächlich hat die Gruppe diesen Unterschied gemessen und festgestellt, dass das Material in einer Richtung etwa 60-mal widerstandsfähiger war als in der anderen.

Als Experiment, um zu demonstrieren, was dies tatsächlich bewirken kann, stellten sie einen Block aus dem Material her und platzierten ihn auf einem vibrierenden Ständer. Abhängig von der Neigungsrichtung der eingebetteten Nanofüllstoffe war das Material in der Lage, die Schwingungsenergie durch das Material zu leiten, sodass sich die Tröpfchen nach rechts oder links bewegten. Sie könnten die Vibrationen auch nutzen, um eine Kreisbewegung anzutreiben, die entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn gesteuert werden könnte. Beim vertikalen Aufstellen des Vibrationsständers bewegten sich auf dem Hydrogel platzierte farbige Flüssigkeitstropfen wie von Geisterhand entgegen der Schwerkraft nach oben. Auf diese Weise wurden abwechselnde Schwingungsbewegungen, die normalerweise keinen Nutzen haben, zu einer Nettobewegung kanalisiert.

Schließlich platzierte die Gruppe als weiteren Test in Zusammenarbeit mit Forschern des RIKEN Hakubi Fellows-Programms Caenorhabditis elegans-Würmer auf dem Material, und obwohl ihre Bewegungen normalerweise zufällig waren, bewegten sie sich schließlich alle auf die eine oder andere Seite des Hydrogels , abhängig von der Neigungsrichtung der eingebetteten Nanofüllstoffe.

Laut Yasuhiro Ishida vom RIKEN Center for Emergent Matter Science, der das Projekt leitete, „war es ein bemerkenswertes und überraschendes Ergebnis, zu sehen, wie mechanische Energie auf so klare Weise bevorzugt in eine Richtung geleitet werden konnte, und zwar unter Verwendung eines Materials, das dies ist.“ ziemlich einfach zu machen und ziemlich skalierbar. Wir planen, in Zukunft Anwendungen für dieses Material zu finden, in der Hoffnung, damit Schwingungsenergie, die bisher als Verschwendung galt, effektiv nutzen zu können.“

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Kontakte:
Jens Wilkinson
RIKEN
Office: 81-484-621-424

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