У акул есть секретное оружие, которое помогает им охотиться на добычу. Это орган, который реагирует на слабые электрические сигналы, издаваемые жертвами морского хищника. Инженеры из США вдохновились примером акулы и создали специальный сенсор на основе никелата самария, которые имитирует акулий «датчик». Устройство способно работать даже в соленой воде, что обычно является суровой средой для электроники. Его можно применять в разных сферах: от изучения морской жизни до создания новых инструментов для подводных лодок.
Многие морские животные, от крошечных моллюсков до крупных рыб, издают электрические сигналы. Акулы и другие морские хищники, включая скатов, воспринимают эти электрические колебания. Они делают это, используя органы, известные как ампулы Лоренцини – небольшие капсулы из соединительной ткани, погруженные в кожу морского животного. Ученые называют их электрорецепторами, потому что они обнаруживают электрические поля.
Ампулы выглядят как вытянутые «трубочки» с небольшими отверстиями в виде пор около рта на морде акулы. Эти поры ведут к коротким каналам, заполненным желеобразным веществом. На другом конце каналов, за «желе», находятся специальные чувствительные клетки. Когда рыба плывет рядом с электрическим полем, эти клетки посылают сигналы в мозг акулы: «Ужин!»
Никелат самария также обнаруживает электричество. Он является квантовым материалом, которые обладают электронными свойствами – теми, которые ученые не могут полностью объяснить. Их называют квантовыми эффектами, и они обусловлены странным поведением атомов в наименьших масштабах. Хотя ученые и не понимают, по каким причинам квантовый материал обладает такими свойствами, они все же могут изучить его эффекты.
Протонный «допинг»
Шрирам Раманатан работает в Университете Пердью (США, штат Индиана). Инженер по материалам возглавил команду, которая разработала новый сенсор. Ученого привлек материал, из которого сделан сенсор, своей изменчивостью: никелат самария действует по-разному в разных ситуациях. Например, при комнатной температуре или при температуре пониже он пропускает некоторый электрический заряд, что делает его полупроводником. Но, скажем, при 130 °C он становится настоящим проводником. Это означает, что он свободно «разрешает» заряду проходить через него.
В 2014 году Раманатан и его команда нашли другой способ изменить свойства никелата самария. Они добавили протоны – частицы с положительным зарядом. Такого рода «допинг» превратил материал в изоляционный (при комнатной температуре), то есть он не мог проводить электрические заряды. Таким образом, исследователи научились «настраивать» свойства материала: они могут регулировать его проводимость при температуре ниже 130 °С, просто добавляя или удаляя протоны.
Настраивая материал таким образом, исследователи могут сделать свой сенсор более похожим на акулий. В последние несколько лет, например, ученые обнаружили, что желеобразное вещество в порах акулы хорошо проводит протоны. Они подозревают, что эти частицы и делают акулу более чувствительной к электрическим полям. Еще одно сходство с акулами: подкормленный положительно заряженными частицами, сенсор из никетала самария также работает в соленой воде.
Когда сенсор чувствует электрическое поле, его удельное сопротивление растет. Это означает, что он блокирует электрические заряды от прохождения. К тому же, он становится прозрачным. Таким образом, по его внешнему виду можно понять, что он обнаружил электрическое поле.
Новый сенсор выглядит как темный и блестящий квадратик. К тому же, он очень маленький: в своих последних тестах ученые работали с крохотным «кусочком», размер которого не больше ногтя на мизинце человека. Они испытывали его чувствительную способность, используя образцы соленой воды в лаборатории. Сенсор обнаружил слабые поля, сила которых равна примерно 4.5 микровольт – такое поле создает морская улитка.
Умный сенсор
Густав Каталан, физик из Каталонского института нанонауки и нанотехнологий в Барселоне (Испания), не работал над новым исследованием. Он является экспертом по перовскитам, семейству материалов, которое включает никелат самария.
Его вдохновляет развитие датчика. Он рассматривает его использование в океане как «естественное и многообещающее» приложение. Протоны делают никелат самария лучше в восприятии электрического поля, а они далеко не редкость в море. В море много воды, в воде много водорода, а протон – это просто атом водорода минус электрон. Вот что означает «H» в формуле «H2O».
Подводные лодки могут использовать датчики на основе нового материла для поиска других судов или проплывающих рядом рыб. Сенсор может использоваться для того, чтобы следить за движение животных, или для каких-либо измерений в воде.
По словам Раманатана, получить никелат самария, который реагирует на электрической поле, было непросто. Для этого понадобилось пройти три этапа. Первый – это создание материала. По оценкам ученого, на поиски идеального «рецепта» ушли два или три года. Во-вторых, было обнаружено, что «допинг» из протонов улучшает свойства материала. Эта работа заняла еще три-четыре года. Наконец, его команда должна была выяснить, как настроить проводимость материала для конкретных целей. То есть им нужно было найти способ, чтобы правильно и в нужном количестве добавить протоны в никелат самария. Уже при тестировании этого материала, обогащенного протонами, они обнаружили, что он работает в соленой воде.
У исследователей впереди еще много работы. Их конечная цель – использовать никелат самария для создания устройств, которые могут учиться точно так же, как учится мозг – запоминая и забывая о каких-то вещах. Использование «допинга» в виде протонов, по их словам, похоже на создание памяти устройства о том, как реагировать на что-то в окружающей среде.
Они предполагают, что в будущем можно будет создать удивительные вещи на основе «умного сенсора» – например, «смарт-окна», которые будут помнить, когда затемнять или больше освещать комнату, «считывая» интенсивность света, поступающего снаружи.
[Фото: Science News]
