Incanalare l'energia meccanica in una direzione preferita

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Un gruppo di ricerca guidato da scienziati del RIKEN Center for Emergent Matter Science ha sviluppato un materiale unico, basato su nanoriempitivi incorporati in un idrogel, che può incanalare l’energia meccanica in una direzione ma non nell’altra, agendo in modo “non reciproco”. Con questo materiale composito, che può essere costruito in varie dimensioni, il team è stato in grado di utilizzare movimenti vibrazionali su e giù per far salire le goccioline liquide all’interno di un materiale contro la gravità. L'utilizzo di questo materiale potrebbe quindi consentire di sfruttare vibrazioni casuali e spostare la materia in una direzione preferita.

Incanalare l'energia meccanica in una direzione preferita

Saitama, Giappone | Pubblicato il 14 aprile 2023

Incanalare l’energia in una direzione preferita è una proprietà importante che rende effettivamente possibile la vita. Molte funzioni biologiche di base come la fotosintesi e la respirazione cellulare sono rese possibili incanalando le fluttuazioni casuali della natura in modo non reciproco, per allontanare un sistema dall’aumento dell’entropia, come il famoso demone di Maxwell. Ad esempio, i dispositivi che consentono all'energia di muoversi preferenzialmente si trovano nell'elettronica, dove consentono la trasformazione della corrente alternata in corrente continua. Dispositivi simili sono utilizzati nei campi della fotonica, del magnetismo e del suono. Tuttavia, nonostante i numerosi usi potenziali, la creazione di dispositivi in ​​grado di incanalare l’energia meccanica si è rivelata più difficile.

Ora, un gruppo guidato da RIKEN ha sviluppato un materiale straordinario ma uniforme, relativamente facile da produrre e in grado di svolgere questa funzione. Per crearlo, il gruppo ha utilizzato un idrogel – un materiale morbido composto principalmente da acqua e una rete di poliacrilammide – e vi ha incorporato nanoriempitivi di ossido di grafene con un angolo inclinato. L'idrogel è fissato al pavimento, in modo che la parte superiore possa muoversi quando sottoposta ad una forza di taglio ma non la parte inferiore. E i riempitivi sono impostati con un angolo inclinato, in modo che si angolano in senso orario dall'alto verso il basso. Quando viene applicata una forza di taglio da destra a sinistra sui nanoriempitivi inclinati, questi tendono a deformarsi e quindi a perdere la loro resistenza. Ma se la forza proviene dalla direzione opposta e i nanoriempitivi sono rivolti nella direzione opposta, il taglio applicato li fa semplicemente allungare ancora più a lungo e mantengono la loro forza. Ciò consente al foglio di deformarsi in una direzione ma non nell'altra, e infatti il ​​gruppo ha misurato questa differenza, scoprendo che il materiale era circa 60 volte più resistente in una direzione rispetto all'altra.

Come esperimento per dimostrare cosa potrebbe effettivamente fare, hanno creato un blocco di materiale e lo hanno posizionato su un supporto vibrante. A seconda della direzione di inclinazione dei nanoriempitivi incorporati, il materiale è stato in grado di incanalare l’energia vibrazionale attraverso il materiale per far muovere le goccioline verso destra o sinistra. Potrebbero anche utilizzare le vibrazioni per azionare un movimento circolare che potrebbe essere controllato in senso orario o antiorario. Quando si posizionava verticalmente il supporto vibrante, le gocce di liquido colorato posizionate sull'idrogel si muovevano verso l'alto contro la gravità, come per magia. In questo modo, i movimenti vibrazionali alternati, che di solito non sono di alcuna utilità, sono stati incanalati per creare un movimento netto.

Infine, come ulteriore test, in collaborazione con i ricercatori del programma RIKEN Hakubi Fellows, il gruppo ha posizionato dei vermi Caenorhabditis elegans sul materiale e, sebbene i loro movimenti siano normalmente casuali, alla fine si sono spostati tutti da una parte o dall'altra dell'idrogel. , a seconda della direzione di inclinazione dei nanoriempitivi incorporati.

Secondo Yasuhiro Ishida del RIKEN Center for Emergent Matter Science, che ha guidato il progetto, "È stato un risultato notevole e sorprendente, vedere come l'energia meccanica potesse essere incanalata in una direzione preferenziale, in modo così chiaro, e utilizzando un materiale che è piuttosto facile da realizzare e abbastanza scalabile. In futuro contiamo di trovare applicazioni per questo materiale, con la speranza di poterlo utilizzare per sfruttare in modo efficace l’energia vibrazionale che, fino ad ora, è stata vista come un rifiuto”.

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Contatti:
Jens Wilkinson
RIKEN
Ufficio: 81-484-621-424

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