Kvantemateriale har hajlignende evne til at detektere små elektriske signaler

Et "kvantemateriale", der efterligner en hajs evne til at opdage de små elektriske felter i små bytte, har vist sig at fungere godt under havlignende forhold, med potentielle anvendelser fra forsvar til havbiologi.

Materialet bevarer sin funktionelle stabilitet og korroderer ikke efter at være nedsænket i saltvand, en forudsætning for havmåling. Overraskende, den fungerer også godt i kulden, omgivende temperaturer typisk for havvand, sagde Shriram Ramanathan, en Purdue professor i materialeteknik.

En sådan teknologi kan bruges til at studere havorganismer og økosystemer og til at overvåge skibes bevægelse til militære og kommercielle maritime anvendelser.

"Så, det har potentielt meget bred interesse for mange discipliner, " sagde Ramanathan, der førte forskning til at udvikle sensoren, arbejder med et team, der omfattede Purdue postdoktoral forskningsassistent Zhen Zhang og kandidatstuderende Derek Schwanz.

Fundene er detaljeret i et forskningsartikel, der blev vist online 18. december i tidsskriftet Natur . Papirets hovedforfattere var Zhang og Schwanz, arbejder med kolleger på Argonne National Laboratory, Rutgers University, det nationale institut for standarder og teknologi, Massachusetts Institute of Technology, den canadiske lyskilde ved University of Saskatchewan, Columbia University, og University of Massachusetts. En komplet liste over medforfattere er inkluderet i abstractet.

Den nye sensor blev inspireret af et organ nær en hajemund kaldet Lorenzinis ampullae, som er i stand til at detektere små elektriske felter fra byttedyr.

"Dette organ er i stand til at interagere med sit miljø ved at udveksle ioner fra havvand, at give hajer den såkaldte sjette sans "Sagde Zhang.

Orgelet indeholder en gelé, der leder ioner fra havvand til en specialiseret membran placeret i bunden af ​​ampullen. Følende celler i membranen gør det muligt for hajen at detektere bioelektriske felter udsendt af byttedyrfisk.

Den nye sensor er lavet af et materiale kaldet samarium nikkelat, som er et kvantemateriale, hvilket betyder, at dens ydeevne træder ind i kvantemekaniske interaktioner. Samariumnikkelat er i en klasse af kvantematerialer kaldet stærkt korrelerede elektronsystemer, som har eksotiske elektroniske og magnetiske egenskaber.

Fordi dette materiale kan lede protoner meget hurtigt, forskerne spekulerede på, om de kunne udvikle en sensor, der efterligner hajens organ.

"Vi har arbejdet på det her i nogle år, " sagde Ramanathan. "Vi viser, at disse sensorer kan detektere elektriske potentialer et godt stykke under en volt, i størrelsesordenen millivolt, som kan sammenlignes med elektriske potentialer fra marine organismer. Materialet er meget følsomt. Vi beregnede vores enheds detektionsafstand og fandt en længde, der svarer til den, der er blevet rapporteret for elektroreceptorer i hajer. "

Kvanteffekten får materialet til at undergå en dramatisk "faseændring" fra en leder til en isolator, som gør det muligt at fungere som en følsom detektor. Materialet udveksler også masse med miljøet, når protoner fra vandet bevæger sig ind i materialet og derefter vender tilbage til vandet, går frem og tilbage.

"At have et sådant materiale er meget kraftfuldt, "Sagde Schwanz.

Metaller som aluminium, for eksempel, umiddelbart danne en oxidbelægning, når den placeres i havvand. Reaktionen beskytter mod korrosion, men forhindrer yderligere interaktion med miljøet.

"Her, vi starter med oxidmaterialet, og vi er i stand til at bevare dets funktionalitet, hvilket er meget sjældent, "Sagde Ramanathan.

Materialet ændrer også optiske egenskaber, bliver mere gennemsigtig, efterhånden som den bliver mere isolerende.

"Hvis materialet transmitterer lys anderledes, så kan du bruge lys som sonde til at studere materialets egenskaber, og det er meget kraftfuldt. Nu har du flere måder at studere et materiale på, elektrisk og optisk. "

Materialet blev testet ved at nedsænke det i simulerede havvandsmiljøer designet til at dække de brede temperatur- og pH-intervaller, der findes på tværs af jordens oceaner. I det fremtidige arbejde, forskere planlægger at teste apparaterne i virkelige oceaner i stedet for og vil måske slå sig sammen med biologer for at anvende teknologien til bredere undersøgelser.

En teknik kaldet neutronreflektometri blev udført ved NIST. Tilføjelse af protoner til krystalgitteret i kvantematerialet får gitteret til at svulme lidt op. Ved at skinne en neutronstråle på materialet kan forskere opdage denne hævelse og bestemme, at protonerne bevægede sig ind i materialet.

"Neutroner er meget følsomme over for brint, gør neutronreflektometri til den ideelle teknik til at afgøre, om hævelse og enorme modstandsændringer skyldes, at hydrogen trænger ind i materialet fra saltvand, "sagde Joseph Dura, en NIST -fysiker.

Forskere fremstillede enheden i Purdue ved hjælp af en metode kaldet fysisk dampaflejring.