复合材料可以将机械能引导到首选方向

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，基于嵌入水凝胶中的纳米填料，可以将机械能引导到一个方向，而不是另一个方向，以“非互惠”的方式起作用。

有了这种复合材料 - 可以构造成各种尺寸 - 该团队能够使用振动上下运动使液滴在材料中抵抗重力上升。因此，使用这种材料可以利用随机振动并将物质向首选方向移动。

该团队的研究论文发表在《科学》杂志上。

将能量引导到首选方向是实际上使生命成为可能的重要特性。许多基本的生物学功能，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中的随机波动来实现的，以驱使系统远离熵的增加，就像著名的麦克斯韦恶魔一样。

例如，允许能量优先移动的设备在电子设备中，它们允许交流电流转换为直流电流。类似的器件也用于光子学、磁学和声音领域。然而，尽管有许多潜在的用途，但制造引导机械能的装置已被证明更加困难。

现在，RIKEN领导的一个小组开发了一种非凡但均匀的材料，这种材料相对容易生产并且可以执行此功能。为了创造它，该小组使用了一种水凝胶 - 一种主要由水和聚丙烯酰胺网络制成的柔软材料 - 并以倾斜的角度将氧化石墨烯纳米填料嵌入其中。水凝胶固定在地板上，因此顶部在受到剪切力时可以移动，但底部不能移动。填料设置为倾斜角度，以便它们从上到下顺时针倾斜。

当剪切力从右到左施加到倾斜的纳米填料中时，它们往往会弯曲，从而失去阻力。但是，如果力来自另一个方向，并且纳米填料背对着它，则施加的剪切力只会使它们拉伸更长的时间，并且它们保持强度。这允许板材在一个方向上变形，但在另一个方向上不变形。该小组测量了这种差异，发现该材料在一个方向上的抵抗力大约是另一个方向的60倍。

作为证明这实际上可以做什么的实验，他们创造了一块材料并将其放在振动架上。根据嵌入纳米填料的倾斜方向，材料能够通过材料引导振动能量，使液滴向右或向左移动。他们还可以利用振动来驱动圆周运动，可以控制顺时针或逆时针。当垂直设置振动架时，放置在水凝胶上的彩色液体滴在重力作用下向上移动，就像变魔术一样。通过这种方式，通常没有任何用处的交替振动运动被引导以产生净运动。

最后，作为进一步的测试，与RIKEN Hakubi研究员计划的研究人员合作，该小组将秀丽隐杆线虫放置在材料上，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，这取决于嵌入纳米填料的倾斜方向。

根据领导该项目的RIKEN新兴物质科学中心的Yasuhiro Ishida的说法，“这是一个显着而令人惊讶的结果，看到机械能如何优先地引导到一个方向，以如此清晰的方式，并使用一种相当容易制造和相当可扩展的材料。在未来，我们计划找到这种材料的应用，希望我们可以用它来有效利用振动能量，到目前为止，振动能量一直被视为废物。

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