Canaliser l'énergie mécanique dans une direction privilégiée

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Un groupe de recherche dirigé par des scientifiques du Centre RIKEN pour la science des matières émergentes a développé un matériau unique, basé sur des nanocharges incorporées dans un hydrogel, capable de canaliser l'énergie mécanique dans un sens mais pas dans l'autre, agissant de manière « non réciproque ». Avec ce matériau composite, qui peut être construit en différentes tailles, l’équipe a pu utiliser des mouvements vibratoires de haut en bas pour faire monter des gouttelettes de liquide dans un matériau contre la gravité. L'utilisation de ce matériau pourrait ainsi permettre d'exploiter des vibrations aléatoires et de déplacer la matière dans une direction privilégiée.

Canaliser l'énergie mécanique dans une direction privilégiée

Saitama, Japon | Publié le 14 avril 2023

Canaliser l’énergie dans une direction privilégiée est une propriété importante qui rend la vie possible. De nombreuses fonctions biologiques de base telles que la photosynthèse et la respiration cellulaire sont rendues possibles en canalisant les fluctuations aléatoires de la nature de manière non réciproque, afin d'éloigner un système de l'augmentation de l'entropie, comme le célèbre démon de Maxwell. Par exemple, les dispositifs qui permettent à l'énergie de se déplacer préférentiellement se trouvent dans l'électronique, où ils permettent de transformer le courant alternatif en courant continu. Des dispositifs similaires sont utilisés dans les domaines de la photonique, du magnétisme et du son. Cependant, malgré les nombreuses utilisations potentielles, la création de dispositifs canalisant l’énergie mécanique s’est avérée plus difficile.

Aujourd'hui, un groupe dirigé par RIKEN a développé un matériau remarquable mais uniforme, relativement facile à produire et capable de remplir cette fonction. Pour le créer, le groupe a utilisé un hydrogel – un matériau souple composé principalement d’eau et d’un réseau de polyacrylamide – et y a intégré des nanocharges d’oxyde de graphène selon un angle incliné. L'hydrogel est fixé au sol, de sorte que la partie supérieure puisse bouger lorsqu'elle est soumise à une force de cisaillement mais pas la partie inférieure. Et les charges sont placées selon un angle incliné, de sorte qu'elles s'inclinent dans le sens des aiguilles d'une montre de haut en bas. Lorsqu’une force de cisaillement est appliquée de droite à gauche sur les nanocharges inclinées, celles-ci ont tendance à se déformer et donc à perdre leur résistance. Mais si la force vient de l’autre direction et que les nanocharges lui font face, le cisaillement appliqué les fait simplement s’étirer encore plus longtemps et conservent leur résistance. Cela permet à la feuille de se déformer dans un sens mais pas dans l’autre. En fait, le groupe a mesuré cette différence et a constaté que le matériau était environ 60 fois plus résistant dans un sens que dans l’autre.

Afin de démontrer ce que cela pouvait réellement faire, ils ont créé un bloc de matériau et l'ont placé sur un support vibrant. En fonction de la direction d'inclinaison des nanocharges intégrées, le matériau était capable de canaliser l'énergie vibratoire à travers le matériau pour faire bouger les gouttelettes vers la droite ou la gauche. Ils pourraient également utiliser les vibrations pour entraîner un mouvement circulaire qui pourrait être contrôlé dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse. Lors de l’installation verticale du support vibrant, les gouttes de liquide coloré placées sur l’hydrogel se déplaçaient vers le haut contre la gravité comme par magie. De cette manière, des mouvements vibratoires alternés, qui ne sont généralement d’aucune utilité, ont été canalisés pour créer un mouvement net.

Enfin, comme test supplémentaire, en collaboration avec des chercheurs du programme RIKEN Hakubi Fellows, le groupe a placé des vers Caenorhabditis elegans sur le matériau, et bien que leurs mouvements soient normalement aléatoires, ils ont fini par se déplacer d'un côté ou de l'autre de l'hydrogel. , en fonction de la direction d'inclinaison des nanocharges intégrées.

Selon Yasuhiro Ishida du Centre RIKEN pour la science des matières émergentes qui a dirigé le projet, « c'était un résultat remarquable et surprenant, de voir comment l'énergie mécanique pouvait être canalisée dans une direction préférentielle, d'une manière si claire, et en utilisant un matériau qui est plutôt facile à réaliser et assez évolutif. À l’avenir, nous prévoyons de trouver des applications pour ce matériau, dans l’espoir de pouvoir l’utiliser pour utiliser efficacement l’énergie vibratoire qui, jusqu’à présent, était considérée comme un déchet.

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Contacts :
Jens Wilkinson
RIKEN
Bureau: 81-484-621-424

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