Het omzetten van warmte in elektriciteit is een eigenschap waarvan men denkt dat deze alleen is voorbehouden aan stijve materialen zoals kristallen. Echter, onderzoekers - geïnspireerd door de infrarood (IR) visie van slangen - ontwikkelden een wiskundig model voor het omzetten van zachte, organische structuren tot zogenaamde "pyro-elektrische" materialen. De studie, verschijnt op 21 oktober in het tijdschrift Materie , bewijst dat zachte en flexibele materie kan worden omgezet in een pyro-elektrisch materiaal en lost mogelijk een lang gekoesterd mysterie op rond het mechanisme van IR-visie bij slangen.

Wanneer een materiaal warmte kan omzetten in een elektrische impuls, wordt het "pyro-elektrisch, " een eigenschap die doorgaans alleen te vinden is in harde, inflexibele stoffen. Het mysterie is hoe IR-gevoelige slangen deze warmte-naar-elektriciteitsconversie kunnen bereiken, ondanks dat ze van nature een zachte anatomie hebben.

"Mensen dachten dat we de IR-waarneming van slangen konden verklaren als er een harde, pyro-elektrisch materiaal in hun pitorgel, maar niemand heeft er ooit een gevonden, " zegt Pradeep Sharma, de M.D. Anderson Professor en Chair of Mechanical Engineering aan de University of Houston. "Dus, we vroegen ons af of, net zoals we proberen om deze zachte materialen pyro-elektrisch te maken, misschien doet de natuur hetzelfde."

Putadders en andere slangen, zoals de aliens in de Predator-serie, staan ​​bekend om hun warmtedetectie. In feite, het IR-zicht van pitadders is zo acuut gevoelig dat "als een dier in pikzwarte duisternis verschijnt, zelfs voor een halve seconde op 40 centimeter afstand, de pitadder zal het kunnen detecteren, ' zegt Sharma.

Dit vermogen wordt bereikt door een structuur die een pitorgel wordt genoemd - een holle kamer dicht bij de neusgaten van de slang die een dunne, flexibel membraan. "Het pitorgel speelt een belangrijke rol bij het verwerken van warmte tot een signaal dat ze kunnen detecteren, "zegt Sharma. "Echter, het ontbrekende deel van de vergelijking was hoe de neuroncellen in het pitorgelmembraan een warmtesignatuur omzetten in elektriciteit om dat signaal te creëren."

Gebruikmakend van de fysiologie van het pitorgelmembraan als inspiratie, Sharma en zijn team konden een wiskundig model construeren om uit te leggen hoe deze omzetting van warmte naar elektriciteit mogelijk zou kunnen zijn in een zacht organisch materiaal. "Onze oplossing is bedrieglijk eenvoudig, ", zegt Sharma. "Afgezien van meer geavanceerde ontwerpelementen, om een ​​pyro-elektrisch zacht materiaal te maken, hoef je alleen maar statisch, stabiele ladingen in het materiaal en zorg ervoor dat ze niet weglekken. Dan moet je ervoor zorgen dat het materiaal zacht genoeg is dat het in staat is tot grote vervorming in vorm en grootte en dat het gevoelig is voor temperatuur. Als je dat doet, ze zullen pyro-elektrisch werken, en dat is wat we in ons model hebben kunnen bewijzen. En we geloven dat dit precies is wat de natuur gebruikt, omdat dit proces eenvoudig en robuust is."

Laboratoriumexperimenten met zachte materialen zijn al begonnen om het model te authenticeren, hoewel verder onderzoek nodig is om te bevestigen of dit voorgestelde mechanisme plaatsvindt in de neuroncellen van het orgaanmembraan van de slang. Eerder werk had geïmpliceerd dat TRPA1-eiwitkanalen die zich in de neuroncellen van het membraan bevinden, een belangrijke rol spelen; echter, de relatie van die kanalen met het voorgestelde mechanisme in de paper is nog onbekend.

"Met dit model Ik kan vol vertrouwen een kunstmatig zacht materiaal maken met pyro-elektrische eigenschappen - daar bestaat geen twijfel over. En we zijn er vrij zeker van dat we in ieder geval een deel van de oplossing hebben ontdekt van hoe deze slangen in het donker kunnen zien, zegt Sharma. "Nu we het model hebben ontwikkeld, andere wetenschappers kunnen naar voren komen en beginnen met het doen van experimenten om te bevestigen of te ontkennen of onze theorie over IR-detectie van slangen correct is."

Volgende, Sharma wil zijn onderzoek naar zachte materie voortzetten, onderzoeken hoe ze kunnen worden gemanipuleerd om elektriciteit uitsluitend uit een magnetisch veld op te wekken. Met voldoende onderzoek hoopt Sharma de ontwikkeling van pyro te inspireren, piëzo, en magneto-elektrische zachte materialen, het uitbreiden van de mogelijkheden van hoe we elektriciteit opwekken.