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科学家设计可将热能转化成电能的柔性材料

时间: 2020年10月29日 | 作者: Admin | 来源: 科研圈
研究人员建立了一个数学模型,将柔软的有机结构转换为所谓的“热释电”材料(pyroelectric materials)。


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图片来源:Darbaniyan et al. /Matter


来源 Cell Press

翻译 陈梦圆

编辑 戚译引


将热量转换为电能被认为是一种仅坚硬材料(如晶体)所具备的特性。但是,受到蛇的红外(IR)视觉的启发,研究人员建立了一个数学模型,将柔软的有机结构转换为所谓的“热释电”材料(pyroelectric materials)。这项研究证明了柔软且易于弯曲的物质可以转化为热释电材料,且有可能解决长期以来蛇 IR 视觉机制相关谜团,于 10 月 21 日发表在《物质》(Matter)杂志上。


当一种材料可以将热量转换为电脉冲时,就称为“热释电”,这是一种通常仅在坚硬、非挠性物质中才能发现的特性。而具备红外感应能力的蛇具有天生的柔软结构,它们如何实现这种热电转换仍是一个未知之谜 。


“人们以为如果蛇的窝器(pit organ)中有坚硬的热释电物质,我们就可以解释它们的红外感应能力,但是没人能找到这一物质。” 休斯顿大学 M.D.安德森教授(M.D. Anderson Professor)、机械工程系主任 Pradeep Sharma 说道,“因此,我们想知道当我们试图使柔软的材料具有热释电特性的时候,大自然是否也在做同样的事情。”


像《铁血战士》(Predator)系列中的外星人一样,蝮蛇和其他蛇以其热感应而闻名。实际上,毒蛇的红外视觉非常敏锐,“如果一只动物出现在漆黑的黑暗中,即使只在 40 厘米外闪现半秒钟,蝮蛇也能够感知到它。” Sharma 说。


这种能力是通过一种称作窝器的结构来实现的,这是一个靠近蛇鼻孔的中空小室,内有柔软的薄膜。“窝器在将热量转化为可以检测到的信号的处理过程中起着重要作用。” Sharma 说道, “但是,我们仍不了解窝器膜内的神经元细胞如何实现将热信号转化为电,以产生该信号。”


Sharma 和他的团队以窝器膜的生理学特征为灵感,建立了一个数学模型来解释在柔软的有机材料中如何实现从热到电的转换。“我们的解决方案具有迷惑性的简单。除了更高级的设计元素之外,制造热释电软材料所需的只是将静态、稳定的电荷嵌入到材料中,并确保它们不会泄漏出去。然后,必须确保该材料足够柔软,使其能够在形状和尺寸上发生大的变形,并且对温度敏感。如果满足这些条件,它们将产生热释电的效果,这在我们的模型中已经得到了验证。我们相信,这正是大自然所使用的,因为这个过程既简单又可靠。” Sharma 说。


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响尾蛇窝器示意图。图片来源:Darbaniyan et al. /Matter


实验室已经开始使用柔性材料验证该模型,但是还需要进一步的研究来确认这种假设的机制是否发生在蛇的窝器膜的神经元细胞中。早期的研究工作暗示位于膜神经元细胞内的 TRPA1 蛋白通道起着重要作用。但是,这些通道与本文提出的机制之间的关系尚不明确。


“毫无疑问,利用这个模型,我可以自信地开发具有热释电特性的人造柔性材料。而且,我们相当有信心,我们至少已经发现了这些蛇如何在黑暗中看见事物的部分答案。” Sharma 说,“现在既然我们已经建立了这个模型,其他科学家可以进一步研究,开始进行实验,以确认我们关于蛇红外感应的理论是否正确。”


接下来,Sharma 希望继续研究柔性材料,探索如何操纵它们,使其仅由磁场产生电能。他还希望通过足够的研究刺激高温、压电和磁电柔性材料的发展,增加人类发电的可选择方法。


来源链接:

https://phys.org/news/2020-10-thermal-vision-snakes-soft-pyroelectric.html