Canalizando a energia mecânica em uma direção preferencial

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Um grupo de investigação liderado por cientistas do Centro RIKEN para Ciência da Matéria Emergente desenvolveu um material único, baseado em nanocargas incorporadas num hidrogel, que pode canalizar energia mecânica numa direção mas não na outra, agindo de forma “não recíproca”. Com este material compósito – que pode ser construído em vários tamanhos – a equipe foi capaz de usar movimentos vibracionais para cima e para baixo para fazer gotículas líquidas subirem dentro de um material contra a gravidade. O uso deste material poderia, portanto, tornar possível o uso de vibrações aleatórias e mover a matéria em uma direção preferida.

Canalizando a energia mecânica em uma direção preferencial

Saitama, Japão | Postado em 14 de abril de 2023

Canalizar a energia em uma direção preferida é uma propriedade importante que realmente torna a vida possível. Muitas funções biológicas básicas, como a fotossíntese e a respiração celular, são possíveis canalizando flutuações aleatórias na natureza de uma forma não recíproca, para afastar um sistema da entropia crescente, como o famoso demónio de Maxwell. Por exemplo, dispositivos que permitem a movimentação de energia preferencialmente estão na eletrônica, onde permitem que a corrente CA seja transformada em corrente CC. Dispositivos semelhantes são usados ​​nas áreas de fotônica, magnetismo e som. No entanto, apesar dos muitos usos potenciais, criar dispositivos que canalizem a energia mecânica provou ser mais difícil.

Agora, um grupo liderado pela RIKEN desenvolveu um material notável, mas uniforme, que é relativamente fácil de produzir e pode desempenhar esta função. Para criá-lo, o grupo usou um hidrogel – um material macio feito principalmente de água e uma rede de poliacrilamida – e incorporou nanocargas de óxido de grafeno em um ângulo inclinado. O hidrogel é fixado ao chão, de modo que a parte superior possa se mover quando submetida a uma força de cisalhamento, mas não a parte inferior. E os enchimentos são colocados em um ângulo inclinado, de modo que fiquem no sentido horário de cima para baixo. Quando uma força de cisalhamento é aplicada da direita para a esquerda nas nanocargas inclinadas, elas tendem a entortar e, portanto, perder sua resistência. Mas se a força vier na outra direção, e as nanocargas estiverem voltadas para o lado oposto, o cisalhamento aplicado apenas as fará esticar ainda mais, e elas manterão sua resistência. Isso permite que a chapa se deforme em uma direção, mas não na outra, e de fato o grupo mediu essa diferença, descobrindo que o material era aproximadamente 60 vezes mais resistente em uma direção do que na outra.

Como experiência para demonstrar o que isso poderia realmente fazer, eles criaram um bloco de material e o colocaram em um suporte vibratório. Dependendo da direção de inclinação das nanocargas incorporadas, o material foi capaz de canalizar a energia vibracional através do material para fazer as gotículas se moverem para a direita ou para a esquerda. Eles também poderiam usar as vibrações para conduzir um movimento circular que poderia ser controlado no sentido horário ou anti-horário. Ao montar o suporte vibratório verticalmente, gotas de líquido colorido que foram colocadas no hidrogel subiram contra a gravidade como num passe de mágica. Desta forma, movimentos vibracionais alternados, que normalmente não têm qualquer utilidade, foram canalizados para criar um movimento líquido.

Por fim, como mais um teste, em colaboração com investigadores do programa RIKEN Hakubi Fellows, o grupo colocou no material vermes Caenorhabditis elegans e, embora os seus movimentos sejam normalmente aleatórios, acabaram por se deslocar todos para um lado ou para outro do hidrogel. , dependendo da direção de inclinação dos nanocargas incorporados.

De acordo com Yasuhiro Ishida, do Centro RIKEN para Ciência da Matéria Emergente, que liderou o projeto, “Foi um resultado notável e surpreendente, ver como a energia mecânica poderia ser canalizada preferencialmente em uma direção, de forma tão clara, e usando um material que é bastante fácil de fazer e bastante escalável. No futuro, pretendemos encontrar aplicações para este material, na esperança de que possamos utilizá-lo para aproveitar eficazmente a energia vibracional que, até agora, tem sido vista como desperdício.”

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Contactos:
Jens Wilkinson
RIKEN
Escritório: 81-484-621-424

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