Channeling Mechanical Energy In A Preferred Direction

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摘要：
由日本理化学研究所新兴物质科学中心的科学家领导的一个研究小组开发了一种独特的材料，该材料基于嵌入水凝胶中的纳米填料，可以在一个方向上传导机械能，但不能在另一个方向上传导，以“不可逆”的方式发挥作用。利用这种可以制成各种尺寸的复合材料，该团队能够利用上下振动运动使液滴在材料内克服重力上升。因此，使用这种材料可以利用随机振动并使物质沿优选方向移动。

在首选方向上引导机械能

日本埼玉 | 发表于 14 年 2023 月 XNUMX 日

将能量引导到首选方向是一个重要的特性，它实际上使生命成为可能。许多基本的生物功能，如光合作用和细胞呼吸，都是通过以不可逆的方式引导自然界的随机波动来实现的，以驱使系统远离熵增加，就像著名的麦克斯韦妖一样。例如，电子设备中允许能量优先移动的设备，它们允许将交流电流转换为直流电流。类似的设备也用于光子学、磁学和声音领域。然而，尽管有许多潜在的用途，但事实证明，创造传导机械能的设备更加困难。

现在，RIKEN 领导的小组已经开发出一种卓越但均匀的材料，相对容易生产并且可以执行此功能。为了制造它，该小组使用了水凝胶（一种主要由水和聚丙烯酰胺网络制成的软材料），并以倾斜角度将氧化石墨烯纳米填料嵌入其中。水凝胶固定在地板上，因此顶部在受到剪切力时可以移动，但底部不能移动。并且填料以倾斜角度设置，因此它们从上到下顺时针倾斜。当剪切力从右向左施加到倾斜的纳米填料时，它们往往会弯曲并因此失去抵抗力。但是，如果力来自另一个方向，并且纳米填料背对它，则施加的剪切力只会使它们拉伸得更长，并且它们会保持强度。这使得片材可以在一个方向上变形，而在另一个方向上则不会变形，事实上，该小组测量了这种差异，发现该材料在一个方向上的阻力大约是另一个方向的 60 倍。

作为一个实验来证明这实际上可以做什么，他们创建了一块材料并将其放在振动台上。根据嵌入纳米填料的倾斜方向，该材料能够通过材料引导振动能量，使液滴向右或向左移动。他们还可以利用振动来驱动圆周运动，该运动可以控制为顺时针或逆时针。当垂直设置振动台时，放置在水凝胶上的彩色液体滴会像魔术一样克服重力向上移动。通过这种方式，通常没有任何用处的交替振动运动被引导以产生净运动。

最后，作为进一步的测试，该小组与 RIKEN Hakubi Fellows 项目的研究人员合作，将秀丽隐杆线虫放在材料上，尽管它们的运动通常是随机的，但它们最终都移动到水凝胶的一侧或另一侧，取决于嵌入纳米填料的倾斜方向。

领导该项目的理化学研究所突发物质科学中心的 Yasuhiro Ishida 表示：“这是一个了不起且令人惊讶的结果，看到机械能如何以如此清晰的方式优先向一个方向引导，并使用一种相当容易制作并且非常可扩展。未来，我们计划寻找这种材料的应用，希望能够利用它来有效利用迄今为止一直被视为浪费的振动能。”

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联系方式：
詹斯·威尔金森
RIKEN
办公室：81-484-621-424

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