Un'illustrazione di una membrana 2D soggetta a radiazione termica e la conseguente variazione del campo elettrico attraverso il suo spessore. Credito:Darbaniyan et al. /Questione
La conversione del calore in elettricità è una proprietà che si pensa sia riservata solo a materiali rigidi come i cristalli. Però, i ricercatori, ispirati dalla visione a infrarossi (IR) dei serpenti, hanno sviluppato un modello matematico per convertire strutture organiche nei cosiddetti materiali "piroelettrici". Lo studio, apparso il 21 ottobre sulla rivista Questione , dimostra che la materia morbida e flessibile può essere trasformata in un materiale piroelettrico e risolve potenzialmente un mistero di vecchia data che circonda il meccanismo della visione IR nei serpenti.
Quando un materiale può convertire il calore in un impulso elettrico viene chiamato "piroelettrico, " una proprietà tipicamente trovata solo in hard, sostanze inflessibili. Il mistero è come i serpenti sensibili all'infrarosso possano ottenere questa conversione da calore a elettricità nonostante abbiano un'anatomia naturalmente morbida.
"La gente pensava che avremmo potuto spiegare il rilevamento IR dei serpenti se ci fosse stato un duro, materiale piroelettrico nel loro organo fossa, ma nessuno ne ha mai trovato uno, "dice Pradeep Sharma, il M.D. Anderson Professor e Chair of Mechanical Engineering presso l'Università di Houston. "Così, ci siamo chiesti se proprio mentre stiamo cercando di rendere questi materiali morbidi piroelettrici, forse la natura sta facendo la stessa cosa."
Vipere e altri serpenti, come gli alieni della serie Predator, sono noti per il loro rilevamento del calore. Infatti, la visione IR delle vipere è così acutamente sensibile che "se un animale appare in un'oscurità nera come la pece, anche per mezzo secondo a 40 centimetri di distanza, la vipera sarà in grado di rilevarlo, " dice Sharma.
Questa capacità è ottenuta da una struttura chiamata organo a fossa, una camera cava vicino alle narici del serpente contenente un sottile, membrana flessibile. "L'organo della fossa svolge un ruolo importante nell'elaborazione del calore in un segnale che possono rilevare, " dice Sharma. "Tuttavia, la parte mancante dell'equazione era il modo in cui le cellule neuronali all'interno della membrana dell'organo della fossa convertono una firma di calore in elettricità per creare quel segnale".
Una vipera con un'immagine schematica di un'immagine a infrarossi di una preda si è formata nel suo cervello. Credito:Darbaniyan et al. /Questione
Usando la fisiologia della membrana dell'organo della fossa come ispirazione, Sharma e il suo team sono stati in grado di costruire un modello matematico per spiegare come potrebbe essere possibile questa conversione dal calore all'elettricità in un materiale organico morbido. "La nostra soluzione è ingannevolmente semplice, " dice Sharma. "Oltre a elementi di design più avanzati, per realizzare un materiale morbido piroelettrico tutto ciò che serve è incorporare l'elettricità statica, cariche stabili nel materiale e assicurarsi che non fuoriescano. Quindi devi assicurarti che il materiale sia abbastanza morbido da poter subire grandi deformazioni nella forma e nelle dimensioni e che abbia una sensibilità alla temperatura. Se lo fai, agiranno piroelettrici, ed è quello che siamo stati in grado di dimostrare nel nostro modello. E crediamo che sia esattamente ciò che la natura sta usando perché questo processo è semplice e robusto".
L'organo a fossa di un serpente a sonagli. Credito:Darbaniyan et al. /Questione
Gli esperimenti di laboratorio che utilizzano materiali morbidi sono già iniziati per autenticare il modello, sebbene siano necessarie ulteriori ricerche per confermare se questo meccanismo proposto si sta verificando nelle cellule neuronali della membrana dell'organo della fossa del serpente. Il lavoro precedente aveva implicato che i canali della proteina TRPA1 situati all'interno delle cellule neuronali della membrana svolgessero un ruolo importante; però, la relazione di questi canali con il meccanismo proposto nel documento è ancora sconosciuta.
"Utilizzando questo modello, Posso creare con sicurezza un materiale morbido artificiale con proprietà piroelettriche, su questo non c'è dubbio. E siamo abbastanza fiduciosi di aver scoperto almeno una parte della soluzione di come questi serpenti sono in grado di vedere al buio, dice Sharma. "Ora che abbiamo sviluppato il modello, altri scienziati possono farsi avanti e iniziare a fare esperimenti per confermare o negare se la nostra teoria sul rilevamento IR dei serpenti è corretta".
Prossimo, Sharma desidera continuare la sua ricerca sulla materia soffice, esplorando come manipolarli per generare elettricità esclusivamente da un campo magnetico. Con abbastanza ricerca Sharma spera di ispirare lo sviluppo di pirotecnici, piezoelettrico, e materiali morbidi magnetoelettrici, ampliando le possibilità di come generiamo elettricità.
