วิสัยทัศน์งูเป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบวัสดุ pyroelectric

วิสัยทัศน์งูเป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบวัสดุ pyroelectric

งูเหลือม งูเหลือม และงูเหลือม ต่างก็ใช้การมองเห็นด้วยอินฟราเรดเพื่อค้นหาเหยื่อของพวกมัน แต่ไม่ทราบที่มาที่แน่ชัดของสัมผัสที่หกที่ลื่นไหลนี้ ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮูสตันในสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์สำหรับวิธีที่เซลล์ในอวัยวะงูพิเศษแปลงรังสีอินฟราเรดเป็นสัญญาณไฟฟ้า เช่นเดียวกับการไขปริศนาที่มีมายาวนานในชีววิทยางู 

งานนี้ยังช่วยในการพัฒนาทรานสดิวเซอร์เทอร์โม

อิเล็กทริกโดยอิงจากโครงสร้างที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นมากกว่าผลึกแข็งงูบางชนิดสามารถสร้างภาพความร้อนที่แม่นยำของวัตถุที่อุ่นกว่าสภาพแวดล้อมได้อย่างแม่นยำจนทำให้ไม่สงบ ตัวอย่างเช่น งูพิษพิษสามารถตรวจจับแสงอินฟราเรด (IR) ที่ความยาวคลื่นระหว่าง 50 นาโนเมตรถึง 1 มม. ซึ่งแปลเป็นช่วงความถี่ระหว่าง 1.8 THz ถึง 2.5 PHz ความสามารถในการรับรู้ความร้อนนี้ช่วยให้พวกมันล่าเหยื่อเลือดอุ่น เช่น นกและสัตว์ฟันแทะได้ แม้ในความมืดมิดทั้งหมด และนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามันเกิดจากโครงสร้างในหัวของพวกมันซึ่งทำหน้าที่เป็น “เสาอากาศ” สำหรับรังสีอินฟราเรด โครงสร้างนี้เรียกว่า pit organ เป็นช่องกลวงที่มีความหนาประมาณ 10 ถึง 15 มม. ห่อหุ้มด้วยเมมเบรนบางๆ ที่มีพื้นที่ผิวประมาณ 30 มม. 2

ความเป็นไปได้ของไพโรอิเล็กทริกแม้จะมีการศึกษาอย่างกว้างขวาง แต่กลไกที่แม่นยำซึ่งอวัยวะในหลุมแปลงรังสีอินฟราเรดเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ประมวลผลได้ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่Pradeep Sharma หัวหน้าทีม กล่าว ตอนนี้เขาและเพื่อนร่วมงานได้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อทดสอบทฤษฎีที่ว่าเซลล์ภายในเยื่อหุ้มอวัยวะของหลุมนั้นเป็นแบบไพโรอิเล็กทริก นั่นคือ สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวเมื่อถูกความร้อนหรือเย็นลง

แนวคิดนี้ค่อนข้างขัดแย้ง เนื่องจากก่อนหน้านี้คิดว่า 

pyroelectricity จะจำกัดเฉพาะวัสดุแข็งเช่นคริสตัล วัสดุเหล่านี้มีขั้วไฟฟ้าตามธรรมชาติและมีสนามไฟฟ้าขนาดใหญ่ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ตำแหน่งของอะตอมก็จะเปลี่ยนไปเล็กน้อยเช่นกัน การเปลี่ยนตำแหน่งนี้จะเปลี่ยนโพลาไรเซชัน ซึ่งจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวทั่วทั้งวัสดุ หากอุณหภูมิยังคงคงที่ที่ค่าใหม่ แรงดันไฟแบบไพโรอิเล็กทริกจะค่อยๆ หายไปเนื่องจากกระแสไฟรั่ว

เพื่อแสดงให้เห็นว่าเซลล์งูสามารถทำหน้าที่เป็นวัสดุไพโรอิเล็กทริกได้ นักวิจัยได้ใช้วิธีการตั้งแต่กลศาสตร์ความต่อเนื่องของสสารอ่อนไปจนถึงสนามไฟฟ้าคู่และความเครียดจากการขยายตัวทางความร้อน พวกเขายังคำนึงถึงคุณสมบัติของวัสดุเช่นโมดูลัสยืดหยุ่นและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของเซลล์ นักวิจัยได้คำนวณโดยใช้ปัจจัยการผลิตเหล่านี้จากการตอบสนองของไพโรอิเล็กทริกของเซลล์อวัยวะในหลุม งูเหลือมและงูเหลือมควรจะสามารถตรวจจับความแตกต่างของอุณหภูมิที่ระดับมิลลิเคลวินได้ ซึ่งดีกว่าเซ็นเซอร์ตรวจจับความร้อนที่มนุษย์สร้างขึ้นใดๆ และจากข้อมูลของ Sharma แสดงว่างูสามารถสัมผัสได้ถึงการมีอยู่ของสัตว์ที่อุ่นกว่าสิ่งรอบตัวเพียง 10 องศา แม้ว่าจะปรากฏขึ้นเพียงครึ่งวินาทีในเวลาเพียงครึ่งวินาที ห่างไป 40 ซม.

อวัยวะในหลุมของงูหางกระดิ่ง เครดิต: Darbaniyan et al. /เรื่อง การคำนวณที่คล้ายคลึงกันสำหรับงูหางกระดิ่งและงูเหลือมแสดงให้เห็นว่าพวกมันสามารถแสดงความสามารถเดียวกันที่ 100 ซม. และ 30 ซม. ตามลำดับ ผลลัพธ์ทั้งสามตกลงในเชิงคุณภาพกับการวัดทางสรีรวิทยา Sharma กล่าว

การประยุกต์ใช้กับวัสดุสังเคราะห์

งานใหม่นี้แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นสามารถแสดงพลังงานไพโรอิเล็กทริกได้อย่างแท้จริง โครงสร้างดังกล่าว ชาร์มาอธิบาย มีประจุไฟฟ้าคงที่และเสถียรที่ฝังตัวซึ่งไม่รั่วไหลออกมา พวกมันยังสามารถทำให้รูปร่างและขนาดเสียรูปและไวต่ออุณหภูมิ

ขณะนี้นักวิจัยกำลังดำเนินการทดลองเบื้องต้นเกี่ยวกับวัสดุสังเคราะห์ที่อ่อนนุ่มซึ่งคล้ายกับอวัยวะในหลุมของงู ผลการทดลองเหล่านี้อาจยืนยันรูปแบบใหม่ แม้ว่าจะยังคงต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อพิสูจน์ว่ากลไกที่เสนอนี้เกิดขึ้นในเซลล์ของงูจริงๆ การศึกษาทางชีววิทยาก่อนหน้านี้ชี้ให้เห็นว่าช่องโปรตีนที่เรียกว่า TRPA1 มีส่วนเกี่ยวข้อง แต่ก็ยังไม่ชัดเจนว่าช่องทางเหล่านี้จะเกี่ยวข้องกับรูปแบบใหม่อย่างไร

นาโนคิวบ์พลาสโมนิกทำให้กล้องถ่ายภาพความร้อนเร็วมาก “การใช้แบบจำลองนี้ ฉันสามารถสร้างวัสดุอ่อนนุ่มเทียมที่มีคุณสมบัติไพโรอิเล็กทริกได้อย่างมั่นใจ ซึ่งไม่ต้องสงสัยเลย” ชาร์มากล่าว “และเราค่อนข้างมั่นใจว่าเราได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหาที่งูเหล่านี้สามารถเห็นในความมืดได้อย่างน้อยก็ส่วนหนึ่ง” ตอนนี้พวกเขาได้พัฒนาแบบจำลองแล้ว เขากล่าวเสริมว่า นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ สามารถทำการทดลองเพื่อยืนยันหรือหักล้างทฤษฎีของพวกเขาเกี่ยวกับความสามารถในการรับรู้อินฟราเรดของงูได้

นักวิจัยซึ่งรายงานงานของพวกเขาในMatterกล่าวว่าตอนนี้พวกเขาวางแผนที่จะประดิษฐ์วัสดุที่อ่อนนุ่มตามสั่งซึ่งมีไพโรอิเล็กทริกสูงในขณะเดียวกันก็แสดงให้เห็นถึงผลกระทบทางไฟฟ้า (ตรงกันข้าม) “ที่นี่ การใช้สนามไฟฟ้าสามารถลดอุณหภูมิและทำให้เย็นลงได้” ชาร์มาบอกกับPhysics World “จนถึงตอนนี้ ผลกระทบดังกล่าวได้แสดงให้เห็นแล้วในวัสดุแข็งเท่านั้น”

ทีมงานของ Nemoto ได้สำรวจ DTC เพิ่มเติมโดยใช้ทฤษฎีกราฟ ซึ่งสามารถจำลองระบบที่ไม่ต่อเนื่องที่ซับซ้อนได้หลากหลาย เช่น โครงสร้างทางคณิตศาสตร์ที่มีกลุ่มโหนดที่เชื่อมต่อถึงกัน ในกรณีนี้ โหนดจะแสดงสถานะต่างๆ ของ DTC นักวิจัยสามารถคาดการณ์ได้อย่างน่าเชื่อถือว่าระบบจะวิวัฒนาการอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไปในสถานการณ์ต่างๆ โดยการทำแผนที่การเชื่อมโยงแบบอสมมาตรระหว่างรัฐต่างๆ ตามหาผลึกแห่งกาลเวลา

เมื่อ DTC ถูกขับแรงเกินไป ระบบสามารถ “ละลาย” – ทำให้หยุดสั่นและสูญเสียเวลาตามลำดับคริสตัล เพื่อสำรวจกระบวนการนี้ต่อไป Nemoto และเพื่อนร่วมงานได้รวมทฤษฎีกราฟกับกลศาสตร์ทางสถิติเพื่อจำลองว่าโครงสร้างกราฟของ DTC มีวิวัฒนาการอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป จนกระทั่งหลอมละลายอย่างสมบูรณ์ สิ่งนี้ทำให้ทีมเข้าใจธรรมชาติของคริสตัลได้อย่างสมบูรณ์มากขึ้นกว่าที่เคยเป็นมา ในกรณีที่การใช้งานที่เป็นประโยชน์ของวัสดุยังคงเป็นการเก็งกำไรจนถึงขณะนี้ ผลลัพธ์เผยให้เห็นว่าคุณลักษณะของ DTC สามารถใช้ประโยชน์จากการจำลองระบบที่เชื่อมต่อกันอย่างซับซ้อนได้อย่างไร

Credit : cialisonlinegenericcialistyh.com civilaircraftregisters.org cocktailz.org collectifpolaire.org collective2012.com