Verbundmaterial kann mechanische Energie in eine Vorzugsrichtung leiten

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Wissenschaftlern des RIKEN Center for Emergent Matter Science hat ein einzigartiges Material entwickelt, das auf in ein Hydrogel eingebetteten Nanofüllstoffen basiert und mechanische Energie in eine Richtung leiten kann, aber nicht in die andere, und auf „nicht reziproke“ Weise wirkt.

Mit diesem Verbundmaterial, das in verschiedenen Größen konstruiert werden kann, war das Team in der Lage, durch vibrierende Auf- und Abbewegungen Flüssigkeitströpfchen innerhalb eines Materials gegen die Schwerkraft aufsteigen zu lassen. Die Verwendung dieses Materials könnte es also ermöglichen, zufällige Vibrationen zu nutzen und Materie in eine bevorzugte Richtung zu bewegen.

Die Forschungsarbeit des Teams wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.

Energie in eine Vorzugsrichtung zu lenken ist eine wichtige Eigenschaft, die das Leben erst möglich macht. Viele grundlegende biologische Funktionen wie Photosynthese und Zellatmung werden ermöglicht, indem zufällige Schwankungen in der Natur auf nicht reziproke Weise kanalisiert werden, um ein System wie den berühmten Maxwell-Dämon von der zunehmenden Entropie abzubringen.

Beispielsweise befinden sich Geräte, die es ermöglichen, dass sich Energie bevorzugt bewegt, in der Elektronik, wo sie die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom ermöglichen. Ähnliche Geräte werden in den Bereichen Photonik, Magnetismus und Schall eingesetzt. Trotz der vielen Einsatzmöglichkeiten hat sich die Entwicklung von Geräten, die mechanische Energie kanalisieren, als schwieriger erwiesen.

Jetzt hat eine von RIKEN geführte Gruppe ein bemerkenswertes, aber einheitliches Material entwickelt, das relativ einfach herzustellen ist und diese Funktion erfüllen kann. Um es herzustellen, verwendete die Gruppe ein Hydrogel – ein weiches Material, das hauptsächlich aus Wasser und einem Polyacrylamid-Netzwerk besteht – und bettete Graphenoxid-Nanofüllstoffe in einem geneigten Winkel darin ein. Das Hydrogel wird am Boden fixiert, sodass sich der obere Teil bei Scherkräften bewegen kann, der untere jedoch nicht. Die Füller werden in einem geneigten Winkel gesetzt, so dass sie im Uhrzeigersinn von oben nach unten geneigt sind.

Bei einer Scherkraft von rechts nach links in die schiefen Nanofüllstoffe neigen diese zum Knicken und verlieren dadurch ihre Widerstandsfähigkeit. Aber wenn die Kraft aus der anderen Richtung kommt und die Nanofüllstoffe davon abgewandt sind, werden sie durch die aufgebrachte Scherung nur noch länger gedehnt und behalten ihre Festigkeit. Dadurch kann sich das Blatt in eine Richtung verformen, aber nicht in die andere. Die Gruppe maß diesen Unterschied und stellte fest, dass das Material in einer Richtung etwa 60-mal so widerstandsfähig war wie in der anderen.

Als Experiment, um zu demonstrieren, was dies tatsächlich bewirken könnte, erstellten sie einen Block aus dem Material und stellten ihn auf einen vibrierenden Ständer. Je nach Neigungsrichtung der eingebetteten Nanofüllstoffe konnte das Material die Schwingungsenergie durch das Material leiten, um Tropfen nach rechts oder links zu bewegen. Sie könnten die Vibrationen auch verwenden, um eine kreisförmige Bewegung anzutreiben, die entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gesteuert werden könnte. Beim senkrechten Aufstellen des Vibrationsständers bewegten sich Tropfen farbiger Flüssigkeit, die auf das Hydrogel gegeben wurden, wie von Geisterhand gegen die Schwerkraft nach oben. Auf diese Weise wurden abwechselnde Schwingungsbewegungen, die normalerweise keinen Nutzen haben, zu einer Netzbewegung kanalisiert.

Schließlich platzierte die Gruppe als weiteren Test in Zusammenarbeit mit Forschern des RIKEN Hakubi Fellows-Programms Caenorhabditis elegans-Würmer auf dem Material, und obwohl ihre Bewegungen normalerweise zufällig sind, bewegten sie sich schließlich alle auf die eine oder andere Seite des Hydrogels , abhängig von der Neigungsrichtung der eingebetteten Nanofüllstoffe.

Laut Yasuhiro Ishida vom RIKEN Center for Emergent Matter Science, der das Projekt leitete, „war es ein bemerkenswertes und überraschendes Ergebnis, zu sehen, wie mechanische Energie auf so klare Weise bevorzugt in eine Richtung geleitet werden kann, und dabei ein Material verwendet, das dies ermöglicht ist ziemlich einfach herzustellen und ziemlich skalierbar. In der Zukunft planen wir, Anwendungen für dieses Material zu finden, in der Hoffnung, dass wir damit Schwingungsenergie effektiv nutzen können, die bisher als Verschwendung angesehen wurde.“