Canalización de la energía mecánica en una dirección preferida

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Un grupo de investigación dirigido por científicos del Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente ha desarrollado un material único, basado en nanorellenos incrustados en un hidrogel, que puede canalizar la energía mecánica en una dirección pero no en la otra, actuando de forma "no recíproca". Con este material compuesto, que puede construirse en varios tamaños, el equipo pudo utilizar movimientos vibratorios hacia arriba y hacia abajo para hacer que las gotas de líquido se elevaran dentro de un material contra la gravedad. Por tanto, el uso de este material podría permitir aprovechar vibraciones aleatorias y mover la materia en una dirección preferida.

Canalización de la energía mecánica en una dirección preferida

Saitama, Japón | Publicado el 14 de abril de 2023

Canalizar la energía en una dirección preferida es una propiedad importante que realmente hace posible la vida. Muchas funciones biológicas básicas, como la fotosíntesis y la respiración celular, son posibles canalizando fluctuaciones aleatorias en la naturaleza de forma no recíproca, para alejar a un sistema de una entropía creciente, como el famoso demonio de Maxwell. Por ejemplo, los dispositivos que permiten que la energía se mueva preferentemente se encuentran en la electrónica, donde permiten transformar la corriente alterna en corriente continua. Dispositivos similares se utilizan en los campos de la fotónica, el magnetismo y el sonido. Sin embargo, a pesar de los numerosos usos potenciales, crear dispositivos que canalicen la energía mecánica ha demostrado ser más difícil.

Ahora, un grupo liderado por RIKEN ha desarrollado un material extraordinario pero uniforme que es relativamente fácil de producir y puede realizar esta función. Para crearlo, el grupo utilizó un hidrogel, un material blando hecho principalmente de agua y una red de poliacrilamida, e incrustó en él nanorellenos de óxido de grafeno en un ángulo inclinado. El hidrogel se fija al suelo, de modo que la parte superior puede moverse cuando se somete a una fuerza de corte pero no la inferior. Y los rellenos se colocan en un ángulo inclinado, de modo que formen un ángulo en el sentido de las agujas del reloj de arriba a abajo. Cuando se aplica una fuerza de corte de derecha a izquierda en los nanorellenos inclinados, estos tienden a pandearse y, por lo tanto, pierden su resistencia. Pero si la fuerza proviene de la otra dirección y los nanorellenos están de espaldas a ella, el corte aplicado simplemente hace que se estiren aún más y mantengan su fuerza. Esto permite que la lámina se deforme en una dirección pero no en la otra, y de hecho el grupo midió esta diferencia y encontró que el material era aproximadamente 60 veces más resistente en una dirección que en la otra.

Como experimento para demostrar lo que esto realmente podía hacer, crearon un bloque del material y lo colocaron sobre un soporte vibratorio. Dependiendo de la dirección de inclinación de los nanorellenos incrustados, el material pudo canalizar la energía vibratoria a través del material para hacer que las gotas se movieran hacia la derecha o hacia la izquierda. También podrían usar las vibraciones para impulsar un movimiento circular que podría controlarse en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. Al colocar el soporte vibratorio verticalmente, las gotas de líquido coloreado que se colocaron sobre el hidrogel se movieron hacia arriba contra la gravedad como por arte de magia. De esta manera, se canalizaron movimientos vibratorios alternos, que normalmente no sirven para nada, para crear un movimiento neto.

Finalmente, como prueba adicional, en colaboración con investigadores del programa RIKEN Hakubi Fellows, el grupo colocó gusanos Caenorhabditis elegans sobre el material, y aunque sus movimientos normalmente son aleatorios, terminaron todos desplazándose hacia un lado u otro del hidrogel. , dependiendo de la dirección de inclinación de los nanorellenos incrustados.

Según Yasuhiro Ishida del Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente, quien dirigió el proyecto, "Fue un resultado notable y sorprendente, ver cómo la energía mecánica podía canalizarse en una dirección preferencial, de una manera tan clara, y utilizando un material que es bastante fácil de hacer y bastante escalable. En el futuro, planeamos encontrar aplicaciones para este material, con la esperanza de que podamos utilizarlo para hacer un uso efectivo de la energía vibratoria que, hasta ahora, se consideraba un desperdicio”.

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Contactos:
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RIKEN
Oficina: 81-484-621-424

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