RIKEN新兴物质科学中心的科学家们发明了一种复合材料，可以将机械能引导到特定的方向。这种嵌入纳米填料的水凝胶可以彻底改变浪费的振动能量的利用方式。
由RIKEN新兴物质科学中心的科学家领导的一个研究小组开发了一种独特的材料，ba基于嵌入在水凝胶中的纳米填料，它可以在一个方向上引导机械能，而不是在另一个方向上，以“非互反”的方式起作用。使用复合材料-可以在不同尺寸的指导下，该团队能够使用振动，上下运动，使液体下降小波在物质中升起。因此，使用这种材料可以有效地利用随机振动将物质向首选方向移动。
将能量引导到一个优先的方向是一个重要的特性，它实际上使生命成为可能。许多基本的生物功能，如光合作用和细胞呼吸，都是通过以非互惠的方式引导自然界的随机波动，使系统远离熵，就像著名的麦克斯韦妖一样。允许能量优先移动的设备用于许多领域，例如电力，在那里它们允许交流电流转换为直流电，以及光子学，磁力和声音。然而，事实证明，制造输送机械能的设备要困难得多，而机械能也有许多潜在的用途。
将机械能引导到优选方向的水凝胶。来源:日本
现在，一个由日本理研研究所领导的小组已经开发出一种卓越而均匀的材料，这种材料相对容易生产，并且可以实现这一功能。为了制造它，研究小组使用了一种水凝胶——一种主要由水构成的柔软材料——由聚丙烯酰胺网络和以一定角度嵌入的氧化石墨烯纳米填料制成。水凝胶固定在地板上，因此当受到剪切力时，顶部可以移动，而底部不能移动。填充物被设置成一定的角度，使它们从上到下顺时针倾斜。
当从纳米填料倾斜的方向向左施加剪切力时，纳米填料往往会弯曲，从而失去阻力。但在另一个方向上，当它们远离力时，施加的剪切只会使它们伸展得更长，并保持它们的强度。这使得薄片在一个方向上变形，而不是在另一个方向上变形，事实上，研究小组测量了这种差异，发现这种材料在一个方向上的抵抗能力大约是另一个方向的60倍。
水凝胶在水滴反重力输送中的应用。来源:日本
作为一个实验来证明这种材料的实际作用，他们制作了一块这种材料，并把它放在一个振动的支架上。根据它的设计方式和方向，材料能够通过材料使液滴向左或向右移动，甚至向上通过网络而不是向下移动。他们还可以利用振动运动来驱动一个可以顺时针或逆时针控制的圆周运动。在垂直方向的情况下，当彩色液体滴被注入水凝胶时，它们就像被施了魔法一样向上移动，伴随着通常没有任何用处的交替振动运动，它们被引导成净运动。
最后，作为进一步的测试，该小组与理研白比研究员项目的研究人员合作，将秀丽隐杆线虫放在材料上，尽管它们的运动通常是随机的，但它们最终都移动到水凝胶的一侧或另一侧，这取决于它的方向。
理研中心紧急物质科学中心的Yasuhiro Ishida领导了这项工作，他说:“这是一个非凡而令人惊讶的结果，看到机械能如何以这样一种清晰的方式在一个方向上更好地引导，并且使用了一种相当容易制造且相当可扩展的材料。”在未来，我们计划寻找这种材料的应用，希望我们可以用它来有效地利用振动能量，到目前为止，这种能量一直被视为废物。”
参考文献:“均匀复合材料中的机械非互易性”，作者:王翔，李志浩，王淑旭，佐野光，孙志方，邵振华，武石明日，松原诚弘，奥村代，堺信行，佐佐木隆，相田卓三，石田康弘，2024年4月13日，Science。DOI: 10.1126 / science.adf1206
