Se ha demostrado que un "material cuántico" que imita la capacidad de un tiburón para detectar los diminutos campos eléctricos de pequeñas presas funciona bien en condiciones similares a las del océano. con aplicaciones potenciales desde la defensa hasta la biología marina.

El material mantiene su estabilidad funcional y no se corroe después de ser sumergido en agua salada, un requisito previo para la detección del océano. Asombrosamente, también funciona bien en el frío, temperaturas ambiente típicas del agua de mar, dijo Shriram Ramanathan, un profesor de Purdue de ingeniería de materiales.

Esta tecnología podría utilizarse para estudiar organismos y ecosistemas oceánicos y para controlar el movimiento de los barcos para aplicaciones marítimas militares y comerciales.

"Entonces, tiene un interés potencialmente muy amplio en muchas disciplinas, "dijo Ramanathan, que dirigió la investigación para desarrollar el sensor, trabajando con un equipo que incluía al asociado de investigación postdoctoral de Purdue, Zhen Zhang, y al estudiante graduado Derek Schwanz.

Los hallazgos se detallan en un artículo de investigación que aparece en línea el 18 de diciembre en la revista. Naturaleza . Los autores principales del artículo fueron Zhang y Schwanz, trabajando con colegas en el Laboratorio Nacional Argonne, Universidad Rutgers, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, la fuente de luz canadiense en la Universidad de Saskatchewan, Universidad de Colombia, y la Universidad de Massachusetts. En el resumen se incluye una lista completa de coautores.

El nuevo sensor se inspiró en un órgano cerca de la boca de un tiburón llamado ampolla de Lorenzini, que es capaz de detectar pequeños campos eléctricos de animales de presa.

"Este órgano es capaz de interactuar con su entorno mediante el intercambio de iones del agua de mar, impartir el llamado sexto sentido a los tiburones, "Dijo Zhang.

El órgano contiene una gelatina que conduce iones del agua de mar a una membrana especializada ubicada en la parte inferior de la ampolla. Las células de detección en la membrana permiten al tiburón detectar los campos bioeléctricos emitidos por los peces presa.

El nuevo sensor está hecho de un material llamado niquelato de samario, que es un material cuántico, lo que significa que su rendimiento aprovecha las interacciones de la mecánica cuántica. El niquelato de samario pertenece a una clase de materiales cuánticos llamados sistemas de electrones fuertemente correlacionados, que tienen exóticas propiedades electrónicas y magnéticas.

Debido a que este material puede conducir protones muy rápido, los investigadores se preguntaron si podrían desarrollar un sensor que imite el órgano del tiburón.

"Hemos estado trabajando en esto durante algunos años, ", Dijo Ramanathan." Demostramos que estos sensores pueden detectar potenciales eléctricos muy por debajo de un voltio, del orden de milivoltios, que es comparable a los potenciales eléctricos emanados por organismos marinos. El material es muy sensible. Calculamos la distancia de detección de nuestro dispositivo y encontramos una escala de longitud similar a la que se ha informado para los electrorreceptores en tiburones ".

El efecto cuántico hace que el material experimente un dramático "cambio de fase" de un conductor a un aislante, lo que le permite actuar como un detector sensible. El material también intercambia masa con el medio ambiente, a medida que los protones del agua se mueven hacia el material y luego regresan al agua, yendo y viniendo.

"Tener un material como ese es muy poderoso, ", Dijo Schwanz.

Metales como el aluminio, por ejemplo, forma inmediatamente una capa de óxido cuando se coloca en agua de mar. La reacción protege contra la corrosión pero evita una mayor interacción con el medio ambiente.

"Aquí, comenzamos con el material de óxido y somos capaces de mantener su funcionalidad, que es muy raro, "Dijo Ramanathan.

El material también cambia las propiedades ópticas, volviéndose más transparente a medida que se vuelve más aislante.

"Si el material transmite la luz de manera diferente, entonces puedes usar la luz como sonda para estudiar la propiedad del material y eso es muy poderoso. Ahora tienes varias formas de estudiar un material, eléctrica y ópticamente ".

El material se probó sumergiéndolo en entornos de agua oceánica simulados diseñados para cubrir los amplios rangos de temperatura y pH que se encuentran en los océanos de la Tierra. En el trabajo futuro, Los investigadores planean probar los dispositivos en océanos reales y pueden asociarse con biólogos para aplicar la tecnología a estudios más amplios.

En el NIST se realizó una técnica llamada reflectometría de neutrones. La adición de protones a la red cristalina del material cuántico hace que la red se hinche ligeramente. Hacer brillar un haz de neutrones sobre el material permite a los investigadores detectar esta hinchazón y determinar que los protones se movieron hacia el material.

"Los neutrones son muy sensibles al hidrógeno, haciendo de la reflectometría de neutrones la técnica ideal para determinar si la hinchazón y el gran cambio de resistencia son causados ​​por el hidrógeno que ingresa al material desde el agua salada, "dijo Joseph Dura, un físico del NIST.

Los investigadores fabricaron el dispositivo en Purdue utilizando un método llamado deposición física de vapor.