I ricercatori della Texas A&M University stanno cercando ispirazione dalla natura per sviluppare un nuovo metodo di generazione del plasma sottomarino utilizzando i gamberetti come modello, una scoperta che potrebbe fornire miglioramenti significativi per azioni che vanno dalla sterilizzazione dell'acqua alla perforazione.

Dott. David Staack, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica J. Mike Walker '66, e Xin Tang, un dottorato di ricerca candidato e assistente di ricerca laureato nel dipartimento, ha utilizzato la tecnologia di stampa 3D per replicare non solo la forma fisica di un artiglio di gambero che si spezza, ma anche il complesso meccanismo attraverso il quale genera plasma.

La ricerca del team è stata pubblicata il 15 marzo sulla rivista online Progressi scientifici .

"In genere, quando guardi alla natura, la pressione evolutiva fa sì che la natura sia molto efficiente nel fare le cose, " Ha detto Staack. "Trovo interessante che il gambero abbia fatto intense onde d'urto, la chimica del plasma e la sintesi delle nanoparticelle per milioni di anni".

Quando il gambero azzannatore, noto anche come gambero pistola, fa schioccare l'artiglio, emette un getto d'acqua abbastanza veloce da generare una bolla che, quando crolla, crea un forte rumore ed emette luce. Le alte pressioni e temperature prodotte in questo processo portano alla formazione di plasma.

Il progetto, guidato da Staack, è iniziata più di quattro anni fa come propaggine di un progetto finanziato dalla National Science Foundation (NSF) sul plasma a scarica elettrica nei liquidi. Confrontando il processo di generazione del plasma dei gamberetti che si schiantano con il loro processo di plasma elettrico, i ricercatori si sono incuriositi se potevano trovare un modo per misurare e replicare le sue proprietà.

I ricercatori hanno deciso di imitare la meccanica dell'artiglio del gambero che si spezza con il supporto iniziale dell'NSF, studiando attentamente come la creatura marina crea una bolla di cavitazione che genera plasma a più di 3, 000 gradi Fahrenheit.

"Nel nostro giornale, riportiamo la prima immagine diretta dell'emissione di luce indotta con lo stesso metodo utilizzato dal gambero:l'energia generata meccanicamente concentrandosi su una cavitazione collassante e la successiva propagazione dell'onda d'urto, " Ha detto Staack. "Il design meccanico di ispirazione biologica ci ha permesso di effettuare esperimenti ripetitivi e coerenti sulla generazione del plasma e indicare un significativo aumento dell'efficienza di conversione rispetto al suono, cavitazione laser ed elettrica indotta."

Staack ha affermato che l'uso della stampa 3D è stato determinante nella progressione di questo progetto, permettendo ai ricercatori di creare un accurato, modello in scala dell'artiglio del gambero azzannante in un modo che era impossibile solo pochi anni fa.

I precedenti tentativi di replicare il comportamento del gambero si sono concentrati sulla geometria bidimensionale del gambero, alla fine mancano alcuni dei complessi processi 3D che la nuova tecnologia ha permesso ai ricercatori di ricreare con successo il meccanismo.

Staack e Tang hanno creato un modello 3D del guscio di artiglio molato di un gambero che si spezza cinque volte più grande di quanto appaia in natura. Per alimentare il meccanismo senza l'ausilio dei muscoli del gambero, i ricercatori hanno implementato un sistema a molla simile a una trappola per topi.

In natura, i gamberetti usano la bolla di cavitazione come arma per generare shock e stordire la loro preda. Una versione ingrandita del meccanismo del gambero potrebbe essere utilizzata per un'ampia gamma di discipline tra cui la chimica analitica, fisica e lavorazione dei materiali.

"I gamberetti usano i sistemi come un'arma e questa è sicuramente un'applicazione, "Staack ha detto. "La pressione e gli urti possono stordire piccoli pesci o rompere un calcolo renale. La cavitazione e la dinamica possono essere utilizzate per modificare il flusso dello strato limite e ridurre la resistenza per una barca. Altre applicazioni sfruttano la chimica dello stato del plasma. Le nanoparticelle possono essere sintetizzate con fasi esotiche a causa delle condizioni estreme durante la sintesi. L'acqua può essere sterilizzata. Il petrolio può essere potenziato".

Traendo ispirazione dalle capacità al plasma e dalle onde d'urto dei gamberetti che si schiantano, Staack sta lavorando con un team di colleghi del dipartimento di ingegneria meccanica su un progetto spin-off per far progredire la tecnologia di perforazione utilizzata per creare pozzi geotermici che attingono al calore naturale della Terra. Consentendo agli elettrodi sulla punta di una punta da trapano di emettere una scarica di plasma microscopica, la tecnologia aiuterà a sfondare la roccia dura e a semplificare il processo di perforazione.

Andando avanti, Staack ha affermato che alcuni degli obiettivi per la ricerca futura includono la determinazione della temperatura del plasma generato, scoprire quanto possono aumentare il meccanismo e testare alcune potenziali applicazioni.

Stanno anche lavorando per perfezionare la versione più efficiente del meccanismo, rimuovere parti dal modello di artiglio che non servono a uno scopo nella creazione del plasma.

"Ciò che abbiamo imparato da questo è che non abbiamo bisogno di tutta questa biologia dei gamberetti, "Staack ha detto. "Abbiamo bisogno del piccolo pistone posteriore e abbiamo bisogno del canale, ma non abbiamo bisogno della parte con cui il gambero usa per colpire. Ci sono cose che si sono evolute per ragioni diverse. Alcune delle cose che stiamo facendo ora sono capire quale sia la versione distillata di questo meccanismo".