Una ilustración de una membrana 2D sometida a radiación de calor y el consiguiente cambio en el campo eléctrico a lo largo de su espesor. Crédito:Darbaniyan et al. /Importar
Convertir el calor en electricidad es una propiedad que se cree que está reservada solo para materiales rígidos como los cristales. Sin embargo, Los investigadores, inspirados en la visión infrarroja (IR) de las serpientes, desarrollaron un modelo matemático para convertir blandos, estructuras orgánicas en los llamados materiales "piroeléctricos". El estudio, que aparece el 21 de octubre en la revista Importar , demuestra que la materia blanda y flexible se puede transformar en un material piroeléctrico y potencialmente resuelve un misterio de larga data que rodea el mecanismo de visión IR en serpientes.
Cuando un material puede convertir el calor en un impulso eléctrico, se llama "piroeléctrico, "una propiedad que normalmente solo se encuentra en Sustancias inflexibles. El misterio es cómo las serpientes con detección de infrarrojos pueden lograr esta conversión de calor a electricidad a pesar de tener una anatomía naturalmente suave.
"La gente pensó que podríamos explicar la detección de serpientes por infrarrojos si había una material piroeléctrico en su órgano de pozo, pero nadie nunca encontró uno, "dice Pradeep Sharma, el profesor M.D. Anderson y presidente de ingeniería mecánica en la Universidad de Houston. "Entonces, nos preguntamos si, justo cuando estamos tratando de hacer que estos materiales blandos sean piroeléctricos, tal vez la naturaleza esté haciendo lo mismo ".
Víboras de foso y otras serpientes, como los extraterrestres de la serie Predator, son bien conocidos por su detección de calor. De hecho, la visión infrarroja de las víboras de foso es tan extremadamente sensible que "si un animal aparece en la oscuridad total, incluso por medio segundo a 40 centímetros de distancia, la víbora del foso podrá detectarlo, "Dice Sharma.
Esta habilidad se logra mediante una estructura llamada órgano de fosa, una cámara hueca cerca de las fosas nasales de la serpiente que contiene una membrana flexible. "El órgano de pozo juega un papel importante en el procesamiento del calor en una señal que pueden detectar, "dice Sharma". Sin embargo, la parte que faltaba en la ecuación era cómo las células neuronales dentro de la membrana del órgano del foso convierten una firma de calor en electricidad para crear esa señal ".
Una víbora de pozo con una imagen esquemática de una imagen infrarroja de una presa se formó en su cerebro. Crédito:Darbaniyan et al. /Importar
Usando la fisiología de la membrana del órgano del foso como inspiración, Sharma y su equipo pudieron construir un modelo matemático para explicar cómo esta conversión de calor a electricidad podría ser posible en un material orgánico blando. "Nuestra solución es engañosamente simple, ", dice Sharma." Aparte de los elementos de diseño más avanzados, para hacer un material blando piroeléctrico, todo lo que necesita es incrustar estática, cargas estables en el material y asegúrese de que no se escapen. Luego, debe asegurarse de que el material sea lo suficientemente suave como para que pueda deformarse en gran medida en forma y tamaño y tenga sensibilidad a la temperatura. Si haces eso, actuarán piroeléctricos, y eso es lo que hemos podido demostrar en nuestro modelo. Y creemos que eso es exactamente lo que está usando la naturaleza porque este proceso es simple y robusto ".
Órgano de pozo de una serpiente de cascabel. Crédito:Darbaniyan et al. /Importar
Los experimentos de laboratorio que utilizan materiales blandos ya han comenzado a autenticar el modelo, aunque se necesitan más investigaciones para confirmar si este mecanismo propuesto está teniendo lugar en las células neuronales de la membrana del órgano del pozo de la serpiente. Trabajos anteriores habían implicado que los canales de proteína TRPA1 ubicados dentro de las células neuronales de la membrana desempeñaban un papel importante; sin embargo, la relación de esos canales con el mecanismo propuesto en el documento aún se desconoce.
"Con este modelo, Puedo crear con confianza un material blando artificial con propiedades piroeléctricas, de eso no hay duda. Y estamos bastante seguros de haber descubierto al menos parte de la solución de cómo estas serpientes pueden ver en la oscuridad. dice Sharma. "Ahora que hemos desarrollado el modelo, otros científicos pueden presentarse y comenzar a hacer experimentos para confirmar o negar si nuestra teoría sobre la detección de infrarrojos de serpientes es correcta ".
Próximo, Sharma desea continuar su investigación sobre materia blanda, explorando cómo manipularlos para generar electricidad únicamente a partir de un campo magnético. Con suficiente investigación, Sharma espera inspirar el desarrollo de pyro, piezo y materiales blandos magnetoeléctricos, ampliando las posibilidades de cómo generamos electricidad.
