(資料圖)
由日本理化學研究所新興物質(zhì)科學中心的科學家領(lǐng)導的一個研究小組開發(fā)了一種獨特的材料，該材料基于嵌入水凝膠中的納米填料，可以在一個方向上引導機械能，但不能在另一個方向上傳遞機械能，以“不可逆”的方式發(fā)揮作用。
使用這種可以制成各種尺寸的復合材料，該團隊能夠利用振動、上下運動，使液滴在材料內(nèi)上升。 因此，使用這種材料可以有效地利用隨機振動來沿優(yōu)選方向移動物質(zhì)。
將能量引導到首選方向是一個重要的特性，它實際上使生命成為可能。 許多基本的生物功能，如光合作用和細胞呼吸，都是通過以不可逆的方式引導自然界的隨機波動來實現(xiàn)的，以驅(qū)使系統(tǒng)遠離熵，就像著名的麥克斯韋妖（物理學中假想的妖，能探測并控制單個分子的運動，于1871年由英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋為了說明違反熱力學第二定律的可能性而設(shè)想的）一樣，允許能量優(yōu)先移動的設(shè)備被用于許多領(lǐng)域，例如電力，它們允許將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以及光子學、磁學和聲音。 然而，事實證明，制造傳輸機械能的設(shè)備更加困難，而機械能也有許多潛在用途。
用于沿優(yōu)選方向引導機械能的水凝膠。 圖片來源：RIKEN
現(xiàn)在，RIKEN 領(lǐng)導的團隊已經(jīng)開發(fā)出一種卓越但均勻的材料，這種材料相對容易生產(chǎn)，并且可以執(zhí)行此功能。 為了制造它，該小組使用了水凝膠（一種主要由水制成的軟材料），由聚丙烯酰胺網(wǎng)絡制成，并以一定角度將氧化石墨烯納米填料嵌入其中。 水凝膠固定在地板上，因此頂部在受到剪切力時可以移動，但底部不能移動。 并且填充物以一定角度設(shè)置，使得它們從上到下順時針傾斜。
當從納米填料傾斜的方向向左施加剪切力時，它們往往會彎曲并因此失去抵抗力。 但在另一個方向，即它們背對力的方向，所施加的剪切力只會使它們拉伸得更長，并且它們會保持強度。 這使得片材可以在一個方向上變形，而在另一個方向上則不會變形，事實上，該小組測量了這種差異，發(fā)現(xiàn)該材料在一個方向上的阻力大約是另一個方向的 60 倍。
水凝膠在水滴反重力傳輸中的應用。 圖片來源：RIKEN
作為一個實驗來證明這實際上可以做什么，他們創(chuàng)建了一塊材料并將其放在振動臺上。 根據(jù)設(shè)計和定向的方式，材料能夠穿過材料，使液滴向右或向左移動，甚至向上穿過網(wǎng)絡，但不能向下移動。 他們還可以利用振動運動來驅(qū)動可以控制為順時針或逆時針方向的圓周運動。 在垂直方向的情況下，當將有色液體滴注入水凝膠中時，它們會像魔法一樣向上移動，同時交替的振動運動（通常沒有任何用處）被引導以產(chǎn)生凈運動。
最后，作為進一步的測試，該小組與 RIKEN Hakubi Fellows 項目的研究人員合作，將秀麗隱桿線蟲放在材料上，盡管它們的運動通常是隨機的，但它們最終都移動到了材料的一側(cè)或另一側(cè)。
領(lǐng)導這項工作的理化學研究所突發(fā)物質(zhì)科學中心的 Yasuhiro Ishida 表示：“這是一個了不起且令人驚訝的結(jié)果，看到機械能如何以如此清晰的方式優(yōu)選地在一個方向上傳導，并使用一種 相當容易制作并且非?？蓴U展。 未來，我們計劃尋找這種材料的應用，希望能夠利用它來有效利用迄今為止一直被視為浪費的振動能?！?/p>
