Van een "kwantummateriaal" dat het vermogen van een haai nabootst om de minuscule elektrische velden van kleine prooien te detecteren, is aangetoond dat het goed presteert in oceaanachtige omstandigheden, met mogelijke toepassingen van defensie tot mariene biologie.

Het materiaal behoudt zijn functionele stabiliteit en corrodeert niet na onderdompeling in zout water, een voorwaarde voor oceaanwaarneming. Verrassend genoeg, het functioneert ook goed in de kou, omgevingstemperaturen die typisch zijn voor zeewater, zei Shriram Ramanathan, een Purdue hoogleraar materiaalkunde.

Een dergelijke technologie zou kunnen worden gebruikt om oceaanorganismen en ecosystemen te bestuderen en om de bewegingen van schepen te volgen voor militaire en commerciële maritieme toepassingen.

"Dus, het heeft potentieel een zeer brede interesse in vele disciplines, " zei Ramanathan, die het onderzoek leidde om de sensor te ontwikkelen, werken met een team dat Purdue postdoctoraal onderzoeksmedewerker Zhen Zhang en afgestudeerde student Derek Schwanz omvatte.

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die op 18 december online in het tijdschrift verschijnt Natuur . De hoofdauteurs van het artikel waren Zhang en Schwanz, werken met collega's van Argonne National Laboratory, Rutgers Universiteit, het Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie, het Massachusetts Institute of Technology, de Canadese lichtbron aan de Universiteit van Saskatchewan, Universiteit van Colombia, en de Universiteit van Massachusetts. Een volledige lijst van co-auteurs is opgenomen in het abstract.

De nieuwe sensor is geïnspireerd op een orgaan in de buurt van de mond van een haai genaamd de ampullen van Lorenzini, die in staat is om kleine elektrische velden van prooidieren te detecteren.

"Dit orgaan kan in wisselwerking staan ​​met zijn omgeving door ionen uit zeewater uit te wisselen, het geven van het zogenaamde zesde zintuig aan haaien, ' zei Zhang.

Het orgel bevat een gelei die ionen van zeewater naar een gespecialiseerd membraan op de bodem van de ampulla geleidt. Met detectiecellen in het membraan kan de haai bio-elektrische velden detecteren die worden uitgezonden door prooivissen.

De nieuwe sensor is gemaakt van een materiaal dat samariumnikkelaat wordt genoemd, wat een kwantummateriaal is, wat betekent dat zijn prestaties gebruikmaken van kwantummechanische interacties. Samarium-nikkelaat zit in een klasse van kwantummaterialen die sterk gecorreleerde elektronensystemen worden genoemd, die exotische elektronische en magnetische eigenschappen hebben.

Omdat dit materiaal protonen zeer snel kan geleiden, de onderzoekers vroegen zich af of ze een sensor zouden kunnen ontwikkelen die het orgaan van de haai nabootst.

“We zijn hier al een paar jaar mee bezig, " zei Ramanathan. "We laten zien dat deze sensoren elektrische potentialen kunnen detecteren die ver onder één volt liggen, in de orde van millivolt, wat vergelijkbaar is met elektrische potentialen die worden uitgestraald door mariene organismen. Het materiaal is erg gevoelig. We hebben de detectieafstand van ons apparaat berekend en een vergelijkbare lengteschaal gevonden als wat is gerapporteerd voor elektroreceptoren in haaien."

Het kwantumeffect zorgt ervoor dat het materiaal een dramatische "faseverandering" ondergaat van een geleider naar een isolator, waardoor het als een gevoelige detector kan fungeren. Het materiaal wisselt ook massa uit met de omgeving, als protonen uit het water in het materiaal gaan en dan terugkeren naar het water, heen en weer gaan.

"Het hebben van zo'n materiaal is erg krachtig, ' zei Schwans.

Metalen zoals aluminium, bijvoorbeeld, vormen bij plaatsing in zeewater direct een oxidelaag. De reactie beschermt tegen corrosie maar voorkomt verdere interactie met de omgeving.

"Hier, we beginnen met het oxidemateriaal en we kunnen de functionaliteit ervan behouden, wat zeer zeldzaam is, ' zei Ramanathan.

Het materiaal verandert ook optische eigenschappen, wordt transparanter naarmate het isolerender wordt.

"Als het materiaal licht anders doorlaat, dan kun je licht als sonde gebruiken om de eigenschap van het materiaal te bestuderen en dat is heel krachtig. Nu heb je meerdere manieren om een ​​materiaal te bestuderen, elektrisch en optisch."

Het materiaal werd getest door het onder te dompelen in gesimuleerde oceaanwateromgevingen die ontworpen zijn om de brede temperatuur- en pH-bereiken in de oceanen van de aarde te dekken. Bij toekomstig werk, onderzoekers zijn van plan om de apparaten in plaats daarvan in echte oceanen te testen en kunnen samenwerken met biologen om de technologie toe te passen op bredere studies.

Een techniek genaamd neutronenreflectometrie werd uitgevoerd bij NIST. Door protonen aan het kristalrooster van het kwantummateriaal toe te voegen, zwelt het rooster enigszins op. Door een neutronenstraal op het materiaal te laten schijnen, kunnen onderzoekers deze zwelling detecteren en vaststellen dat de protonen in het materiaal zijn bewogen.

"Neutronen zijn erg gevoelig voor waterstof, waardoor neutronenreflectometrie de ideale techniek is om te bepalen of de zwelling en enorme weerstandsverandering wordt veroorzaakt door waterstof dat het materiaal binnendringt vanuit zout water, " zei Joseph Dura, een NIST-fysicus.

Onderzoekers vervaardigden het apparaat in Purdu met behulp van een methode die fysieke dampafzetting wordt genoemd.