Los investigadores de la Universidad de Texas A&M buscan inspiración en la naturaleza para desarrollar un nuevo método de generación de plasma submarino utilizando camarones como modelo, un descubrimiento que podría proporcionar mejoras significativas para acciones que van desde la esterilización del agua hasta la perforación.

Dr. David Staack, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica J. Mike Walker '66, y Xin Tang, un doctorado candidato y asistente de investigación de posgrado en el departamento, usó tecnología de impresión 3-D para replicar no solo la forma física de la uña de un camarón, pero también el complejo mecanismo a través del cual genera plasma.

La investigación del equipo se publicó el 15 de marzo en la revista en línea Avances de la ciencia .

"Generalmente, cuando miras a la naturaleza, La presión evolutiva hace que la naturaleza sea muy eficiente en hacer cosas, "Dijo Staack." Me parece interesante que el camarón haya estado haciendo ondas de choque intensas, química del plasma y síntesis de nanopartículas durante millones de años ".

Cuando el camarón mordedor, también conocido como camarón pistola, rompe su garra, lanza un chorro de agua lo suficientemente rápido como para generar una burbuja que, cuando se derrumba, crea un ruido fuerte y emite luz. Las altas presiones y temperaturas producidas en este proceso conducen a la formación de plasma.

El proyecto, dirigido por Staack, comenzó hace más de cuatro años como una rama de un proyecto financiado por la National Science Foundation (NSF) sobre plasma de descarga eléctrica en líquidos. Al comparar el proceso de generación de plasma del camarón mordedor con su proceso de plasma eléctrico, los investigadores sintieron curiosidad por encontrar una manera de medir y replicar sus propiedades.

Los investigadores se propusieron imitar la mecánica de la uña del camarón con el apoyo inicial de la NSF. estudiando cuidadosamente cómo la criatura marina crea una burbuja de cavitación que genera plasma a más de 3, 000 grados Fahrenheit.

"En nuestro periódico, reportamos la primera imagen directa de la emisión de luz inducida por el mismo método que usa el camarón:la energía generada mecánicamente que se enfoca en una cavitación colapsada y la siguiente propagación de la onda de choque, "Dijo Staack." El diseño mecánico bioinspirado nos permitió llevar a cabo experimentos repetitivos y consistentes en la generación de plasma e indicar un aumento significativo en la eficiencia de conversión en comparación con el sonido, cavitación inducida por láser y electricidad ".

Staack dijo que el uso de la impresión 3D fue fundamental en la progresión de este proyecto, permitiendo a los investigadores crear un modelo a escala de la garra del camarón mordedora de una manera que era imposible hace solo unos años.

Los intentos anteriores de replicar el comportamiento del camarón se centraron en la geometría bidimensional del camarón, en última instancia, faltan algunos de los complejos procesos 3-D que la nueva tecnología permitió a los investigadores recrear el mecanismo con éxito.

Staack y Tang crearon un modelo tridimensional de la cáscara de la garra mudada de un camarón que se rompe cinco veces más grande de lo que parece en la naturaleza. Para accionar el mecanismo sin la ayuda de los músculos del camarón, los investigadores implementaron un sistema de resorte similar a una trampa para ratones.

En naturaleza, Los camarones utilizan la burbuja de cavitación como arma para generar descargas y aturdir a sus presas. Una versión ampliada del mecanismo del camarón podría usarse para una amplia gama de disciplinas, incluida la química analítica, física y procesamiento de materiales.

"Los camarones utilizan los sistemas como un arma y esa es sin duda una aplicación, "Dijo Staack." La presión y los golpes pueden aturdir a los peces pequeños o romper un cálculo renal. La cavitación y la dinámica se pueden utilizar para modificar el flujo de la capa límite y reducir la resistencia de un barco. Otras aplicaciones aprovechan la química del estado del plasma. Las nanopartículas se pueden sintetizar con fases exóticas debido a las condiciones extremas durante la síntesis. El agua se puede esterilizar. El aceite se puede mejorar ".

Inspirándose en las capacidades de onda de choque y plasma del camarón que se rompe, Staack está trabajando con un equipo de colegas del departamento de ingeniería mecánica en un proyecto derivado para avanzar en la tecnología de perforación utilizada para crear pozos geotérmicos que aprovechan el calor natural de la Tierra. Al permitir que los electrodos en la punta de una broca emitan una descarga microscópica de plasma, la tecnología ayudará a atravesar la roca dura y agilizará el proceso de perforación.

Avanzando Staack dijo que algunos de los objetivos de la investigación futura incluyen determinar la temperatura del plasma generado, averiguando qué tan grande pueden escalar el mecanismo y probando algunas aplicaciones potenciales.

También están trabajando para perfeccionar la versión más eficiente del mecanismo, eliminando partes del modelo de garra que no tienen un propósito en la creación de plasma.

"Lo que hemos aprendido de esto es que no necesitamos toda esta biología del camarón, ", Dijo Staack." Necesitamos el pequeño émbolo trasero y necesitamos el canal, pero no necesitamos la parte que usa el camarón para pegar. Hay algunas cosas que evolucionaron por diferentes razones. Algunas de las cosas que estamos haciendo ahora son averiguar cuál es la versión destilada de este mecanismo ".