È stato dimostrato che un "materiale quantico" che imita la capacità di uno squalo di rilevare i minuscoli campi elettrici di piccole prede si comporta bene in condizioni simili all'oceano, con potenziali applicazioni dalla difesa alla biologia marina.

Il materiale mantiene la sua stabilità funzionale e non si corrode dopo essere stato immerso in acqua salata, un prerequisito per il rilevamento dell'oceano. Sorprendentemente, funziona bene anche al freddo, temperature ambiente tipiche dell'acqua di mare, disse Shriram Ramanathan, un professore di ingegneria dei materiali alla Purdue.

Tale tecnologia potrebbe essere utilizzata per studiare gli organismi e gli ecosistemi oceanici e per monitorare il movimento delle navi per applicazioni marittime militari e commerciali.

"Così, ha un interesse potenzialmente molto ampio in molte discipline, " disse Ramanathan, che ha guidato la ricerca per sviluppare il sensore, lavorando con un team che includeva il ricercatore postdottorato di Purdue Zhen Zhang e lo studente laureato Derek Schwanz.

I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca apparso online il 18 dicembre sulla rivista Natura . Gli autori principali del documento erano Zhang e Schwanz, lavorando con i colleghi dell'Argonne National Laboratory, Università di Rutger, l'Istituto nazionale di standard e tecnologia, il Massachusetts Institute of Technology, la Canadian Light Source presso l'Università del Saskatchewan, Università della Columbia, e l'Università del Massachusetts. Un elenco completo dei coautori è incluso nell'abstract.

Il nuovo sensore è stato ispirato da un organo vicino alla bocca di uno squalo chiamato ampolle di Lorenzini, che è in grado di rilevare piccoli campi elettrici da prede.

"Questo organo è in grado di interagire con il suo ambiente scambiando ioni dall'acqua di mare, impartire il cosiddetto sesto senso agli squali, " disse Zhang.

L'organo contiene una gelatina che conduce gli ioni dall'acqua di mare a una membrana specializzata situata sul fondo dell'ampolla. Le cellule di rilevamento nella membrana consentono allo squalo di rilevare i campi bioelettrici emessi dai pesci preda.

Il nuovo sensore è realizzato con un materiale chiamato nichelato di samario, che è un materiale quantistico, il che significa che le sue prestazioni attingono alle interazioni della meccanica quantistica. Il nichelato di samario fa parte di una classe di materiali quantistici chiamati sistemi di elettroni fortemente correlati, che hanno proprietà elettroniche e magnetiche esotiche.

Poiché questo materiale può condurre protoni molto velocemente, i ricercatori si sono chiesti se potrebbero sviluppare un sensore che imita l'organo dello squalo.

"Ci stiamo lavorando da alcuni anni, " ha detto Ramanathan. " Mostriamo che questi sensori possono rilevare potenziali elettrici ben al di sotto di un volt, nell'ordine dei millivolt, che è paragonabile ai potenziali elettrici emanati dagli organismi marini. Il materiale è molto sensibile. Abbiamo calcolato la distanza di rilevamento del nostro dispositivo e abbiamo trovato una scala di lunghezza simile a quanto riportato per gli elettrorecettori negli squali".

L'effetto quantistico fa sì che il materiale subisca un drammatico "cambiamento di fase" da conduttore a isolante, che gli permette di agire come un rivelatore sensibile. Il materiale scambia massa anche con l'ambiente, mentre i protoni dall'acqua si spostano nel materiale e poi ritornano nell'acqua, andando avanti e indietro.

"Avere un materiale del genere è molto potente, "Ha detto Schwanz.

Metalli come alluminio, Per esempio, formano immediatamente un rivestimento di ossido quando vengono posti in acqua di mare. La reazione protegge dalla corrosione ma impedisce un'ulteriore interazione con l'ambiente.

"Qui, partiamo dal materiale ossido e siamo in grado di mantenerne la funzionalità, che è molto raro, " disse Ramanathan.

Il materiale cambia anche le proprietà ottiche, diventando più trasparente man mano che diventa più isolante.

"Se il materiale trasmette la luce in modo diverso, quindi puoi usare la luce come sonda per studiare le proprietà del materiale e questo è molto potente. Ora hai diversi modi per studiare un materiale, elettricamente e otticamente."

Il materiale è stato testato immergendolo in ambienti di acqua oceanica simulati progettati per coprire le ampie gamme di temperatura e pH riscontrate negli oceani terrestri. Nel lavoro futuro, i ricercatori intendono invece testare i dispositivi in ​​oceani reali e potrebbero collaborare con i biologi per applicare la tecnologia a studi più ampi.

Una tecnica chiamata riflettometria di neutroni è stata eseguita al NIST. L'aggiunta di protoni al reticolo cristallino del materiale quantistico provoca un leggero rigonfiamento del reticolo. Far brillare un raggio di neutroni sul materiale consente ai ricercatori di rilevare questo rigonfiamento e determinare che i protoni si sono spostati nel materiale.

"I neutroni sono molto sensibili all'idrogeno, rendendo la riflettometria a neutroni la tecnica ideale per determinare se il rigonfiamento e l'enorme cambiamento di resistenza sono causati o meno dall'idrogeno che entra nel materiale dall'acqua salata, " disse Giuseppe Dura, un fisico del NIST.

I ricercatori hanno prodotto il dispositivo a Purdue utilizzando un metodo chiamato deposizione fisica da vapore.