機械エネルギーを望ましい方向に導く

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要約：
理化学研究所創発物性科学センターの科学者らが率いる研究グループは、ヒドロゲルに埋め込まれたナノフィラーをベースにした独自の材料を開発した。この材料は、機械エネルギーを一方向に流すことができ、もう一方の方向には流さず、「非相反的」に作用することができる。さまざまなサイズで構築できるこの複合材料を使用すると、チームは上下の振動運動を利用して、重力に逆らって材料内で液滴を上昇させることができました。したがって、この材料を使用すると、ランダムな振動を利用して、物質を望ましい方向に動かすことが可能になる可能性があります。

機械的エネルギーを好ましい方向にチャネリングする

埼玉県 | 投稿日: 14 年 2023 月 XNUMX 日

エネルギーを望ましい方向に導くことは、実際に生命を可能にする重要な特性です。光合成や細胞呼吸などの多くの基本的な生物学的機能は、有名なマクスウェルの悪魔のように、自然界のランダムな変動を非相反的な方法で誘導し、システムをエントロピーの増大から遠ざけることによって可能になっています。たとえば、エネルギーを優先的に移動できるデバイスはエレクトロニクスにあり、AC 電流を DC 電流に変換できます。同様のデバイスは、フォトニクス、磁気、音響の分野でも使用されています。しかし、多くの潜在的な用途があるにもかかわらず、機械エネルギーを伝達するデバイスを作成することはより困難であることが判明しています。

今回、理研主導のグループは、製造が比較的容易で、この機能を果たすことができる、驚くべき均一な材料を開発した。これを作成するために、研究グループはヒドロゲル（主に水とポリアクリルアミドのネットワークで作られた柔らかい材料）を使用し、その中に酸化グラフェンのナノフィラーを斜めに埋め込んだ。ヒドロゲルは床に固定されているため、せん断力が加わったときに上部は動きますが、下部は動きません。また、フィラーは上から下に向かって時計回りに傾くように傾斜して設置されています。傾いたナノフィラーに右から左に剪断力がかかると、ナノフィラーは座屈する傾向があり、抵抗が失われます。しかし、力が反対方向からであり、ナノフィラーがその方向から離れている場合、加えられたせん断によってナノフィラーはさらに長く伸びるだけであり、ナノフィラーの強度は維持されます。これにより、シートは一方向には変形しますが、もう一方の方向には変形しません。実際、グループはこの差を測定し、材料の一方向の耐性が他方向の約 60 倍であることを発見しました。

これで実際に何ができるかを実証する実験として、彼らは材料のブロックを作成し、それを振動スタンド上に置きました。埋め込まれたナノフィラーの傾斜方向に応じて、材料は振動エネルギーを材料に伝え、液滴を右または左に移動させることができました。また、振動を利用して円運動を駆動し、時計回りまたは反時計回りに制御することもできます。振動スタンドを垂直に設置すると、ハイドロゲル上に置かれた色の付いた液体の滴が、まるで魔法のように重力に逆らって上向きに移動しました。このようにして、通常は何の役にも立たない交互の振動運動を利用して、ネットモーションを作成しました。

最後に、さらなるテストとして、理化学研究所白眉フェロープログラムの研究者と協力して、グループは材料上に線虫線虫を配置しました。通常、それらの動きはランダムですが、最終的にはすべてヒドロゲルの一方の側またはもう一方の側に移動しました。、埋め込まれたナノフィラーの傾斜方向に応じて変化します。

このプロジェクトを主導した理化学研究所創発物性科学研究センターの石田康裕氏は次のように述べています。かなり簡単に作成でき、非常に拡張性があります。今後はこの素材の用途を開拓し、これまで廃棄物とされていた振動エネルギーの有効活用につなげていきたいと考えています。」

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コンタクト：
ジェンス・ウィルキンソン
理研
オフィス：81-484-621-424

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