Onderzoekers van de Texas A&M University kijken naar de natuur voor inspiratie bij het ontwikkelen van een nieuwe methode voor het genereren van plasma onder water met behulp van garnalen als model - een ontdekking die aanzienlijke verbeteringen zou kunnen opleveren voor acties variërend van watersterilisatie tot boren.

Dr. David Staack, universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde van J. Mike Walker '66, en Xin Tang, een doctoraat kandidaat en gediplomeerd onderzoeksassistent op de afdeling, gebruikte 3D-printtechnologie om niet alleen de fysieke vorm van een knappende garnaalklauw na te bootsen, maar ook het complexe mechanisme waarmee het plasma genereert.

Het onderzoek van het team werd op 15 maart gepubliceerd in het online tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"Over het algemeen, als je naar de natuur kijkt, evolutionaire druk zorgt ervoor dat de natuur zeer efficiënt is in het doen van dingen, " zei Staack. "Ik vind het interessant dat de garnaal intense schokgolven heeft gemaakt, plasmachemie en synthese van nanodeeltjes voor miljoenen jaren."

Wanneer de bijtende garnaal - ook bekend als de pistoolgarnaal - met zijn klauw breekt, het schiet een waterstraal snel genoeg uit om een ​​bel te genereren die, als het instort, maakt een hard geluid en straalt licht uit. De hoge drukken en temperaturen die bij dit proces ontstaan, leiden tot plasmavorming.

Het project, onder leiding van Staack, begon meer dan vier jaar geleden als een uitloper van een door de National Science Foundation (NSF) gefinancierd project over elektrisch ontladingsplasma in vloeistoffen. Bij het vergelijken van het plasma-generatieproces van de bijtgarnalen met hun elektrische plasmaproces, de onderzoekers werden nieuwsgierig of ze een manier konden vinden om de eigenschappen ervan te meten en te repliceren.

De onderzoekers wilden de mechanica van de klauw van de bijtende garnaal nabootsen met aanvankelijke steun van de NSF, zorgvuldig bestuderen hoe het zeedier een cavitatiebel creëert die plasma genereert bij meer dan 3, 000 graden Fahrenheit.

"In onze krant we rapporteren de eerste directe beeldvorming van de lichtemissie veroorzaakt door dezelfde methode die de garnaal gebruikt:de mechanisch gegenereerde energie gericht op een instortende cavitatie en de volgende schokgolfvoortplanting, Staack zei. "Het bio-geïnspireerde mechanische ontwerp stelde ons in staat om repetitieve en consistente experimenten uit te voeren op de plasmageneratie en een significante toename in conversie-efficiëntie aan te geven in vergelijking met sonische, laser en elektrisch geïnduceerde cavitatie."

Staack zei dat het gebruik van 3D-printen een belangrijke rol speelde in de voortgang van dit project, waardoor de onderzoekers een nauwkeurige, opgeschaald model van de klauw van de bijtende garnaal op een manier die een paar jaar geleden nog onmogelijk was.

Eerdere pogingen om het gedrag van de garnaal te repliceren, waren gericht op de tweedimensionale geometrie van de garnaal, uiteindelijk misten enkele van de complexe 3D-processen die nieuwere technologie de onderzoekers in staat stelde om het mechanisme met succes opnieuw te creëren.

Staack en Tang creëerden een 3D-model van de vervelde klauwschil van een knappende garnaal die vijf keer groter is dan in de natuur lijkt. Om het mechanisme aan te drijven zonder de hulp van de spieren van de garnaal, de onderzoekers implementeerden een muizenval-achtig veersysteem.

In de natuur, garnalen gebruiken de cavitatiebel als wapen om schokken op te wekken en hun prooi te verdoven. Een opgeschaalde versie van het garnaalmechanisme zou kunnen worden gebruikt voor een breed scala aan disciplines, waaronder analytische chemie, natuurkunde en materiaalverwerking.

"Garnalen gebruiken de systemen als wapen en dat is zeker een toepassing, " zei Staack. "De druk en schokken kunnen kleine vissen verdoven of een niersteen breken. De cavitatie en dynamiek kunnen worden gebruikt om de grenslaagstroming te wijzigen en de weerstand van een boot te verminderen. Andere toepassingen profiteren van de chemie van de plasmatoestand. Nanodeeltjes kunnen worden gesynthetiseerd met exotische fasen vanwege de extreme omstandigheden tijdens de synthese. Water kan worden gesteriliseerd. Olie kan worden opgewaardeerd."

Geïnspireerd door de plasma- en schokgolfmogelijkheden van de knapperende garnalen, Staack werkt met een team van collega's van de afdeling werktuigbouwkunde aan een spin-off project om de boortechnologie te bevorderen die wordt gebruikt om geothermische putten te maken die de natuurlijke warmte van de aarde aanboren. Door elektroden op de punt van een boorkop in staat te stellen een microscopisch kleine plasmaontlading uit te zenden, de technologie zal helpen door hard gesteente heen te breken en het boorproces te stroomlijnen.

Vooruit gaan, Staack zei dat enkele van de doelen voor toekomstig onderzoek het bepalen van de temperatuur van het gegenereerde plasma zijn, uitvinden hoe groot ze het mechanisme kunnen opschalen en enkele potentiële toepassingen testen.

Ze werken ook aan het verfijnen van de meest efficiënte versie van het mechanisme, het verwijderen van onderdelen uit het klauwmodel die geen doel dienen bij het maken van plasma.

"Wat we hiervan hebben geleerd, is dat we niet al deze garnalenbiologie nodig hebben, " zei Staack. "We hebben de kleine achterplunjer nodig en we hebben het kanaal nodig, maar we hebben het deel dat de garnaal gebruikt niet nodig om mee te slaan. Sommige dingen zijn om verschillende redenen geëvolueerd. Sommige dingen die we nu doen, zijn uitzoeken wat de gedestilleerde versie van dit mechanisme is."