Foi demonstrado que um "material quântico" que imita a capacidade de um tubarão de detectar os minúsculos campos elétricos de pequenas presas tem um bom desempenho em condições semelhantes às do oceano, com aplicações potenciais da defesa à biologia marinha.

O material mantém sua estabilidade funcional e não sofre corrosão após ser imerso em água salgada, um pré-requisito para a detecção do oceano. Surpreendentemente, também funciona bem no frio, temperaturas ambientes típicas da água do mar, disse Shriram Ramanathan, um professor de engenharia de materiais da Purdue.

Essa tecnologia pode ser usada para estudar organismos e ecossistemas oceânicos e monitorar o movimento de navios para aplicações marítimas militares e comerciais.

"Então, tem um interesse potencialmente muito amplo em muitas disciplinas, "disse Ramanathan, que liderou a pesquisa para desenvolver o sensor, trabalhando com uma equipe que incluía o associado de pesquisa de pós-doutorado de Purdue, Zhen Zhang, e o estudante de graduação Derek Schwanz.

As descobertas são detalhadas em um artigo de pesquisa publicado on-line em 18 de dezembro no jornal Natureza . Os principais autores do artigo foram Zhang e Schwanz, trabalhando com colegas do Laboratório Nacional Argonne, Universidade Rutgers, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, o Instituto de Tecnologia de Massachusetts, a fonte de luz canadense na Universidade de Saskatchewan, Universidade Columbia, e a Universidade de Massachusetts. Uma lista completa de co-autores está incluída no resumo.

O novo sensor foi inspirado em um órgão perto da boca de um tubarão chamado ampolas de Lorenzini, que é capaz de detectar pequenos campos elétricos de presas.

“Este órgão é capaz de interagir com o meio ambiente por meio da troca de íons da água do mar, transmitindo o chamado sexto sentido aos tubarões, "Disse Zhang.

O órgão contém uma geléia que conduz íons da água do mar para uma membrana especializada localizada na parte inferior da ampola. Células de detecção na membrana permitem que o tubarão detecte campos bioelétricos emitidos por peixes-presa.

O novo sensor é feito de um material chamado níquelato de samário, que é um material quântico, o que significa que seu desempenho explora as interações da mecânica quântica. O níquelato de samário está em uma classe de materiais quânticos chamados sistemas de elétrons fortemente correlacionados, que têm propriedades eletrônicas e magnéticas exóticas.

Como este material pode conduzir prótons muito rápido, os pesquisadores se perguntaram se poderiam desenvolver um sensor que imite o órgão do tubarão.

"Estamos trabalhando nisso há alguns anos, "Ramanathan disse." Nós mostramos que esses sensores podem detectar potenciais elétricos bem abaixo de um volt, na ordem de milivolts, que é comparável aos potenciais elétricos emanados por organismos marinhos. O material é muito sensível. Calculamos a distância de detecção do nosso dispositivo e encontramos uma escala de comprimento semelhante ao que foi relatado para eletrorreceptores em tubarões. "

O efeito quântico faz com que o material passe por uma dramática "mudança de fase" de um condutor para um isolante, o que permite que ele atue como um detector sensível. O material também troca massa com o meio ambiente, à medida que os prótons da água se movem para o material e, em seguida, retornam à água, indo e voltando.

"Ter um material como esse é muito poderoso, "Disse Schwanz.

Metais como alumínio, por exemplo, formar imediatamente um revestimento de óxido quando colocado na água do mar. A reação protege contra a corrosão, mas impede maior interação com o meio ambiente.

"Aqui, começamos com o material de óxido e somos capazes de manter sua funcionalidade, o que é muito raro, "Ramanathan disse.

O material também muda as propriedades ópticas, tornando-se mais transparente à medida que se torna mais isolante.

"Se o material transmite luz de forma diferente, então você pode usar a luz como uma sonda para estudar as propriedades do material e isso é muito poderoso. Agora você tem várias maneiras de estudar um material, eletricamente e opticamente. "

O material foi testado por imersão em ambientes simulados de água do oceano, projetados para cobrir as amplas faixas de temperatura e pH encontradas nos oceanos da Terra. Em trabalho futuro, os pesquisadores planejam testar os dispositivos em oceanos reais e podem se unir a biólogos para aplicar a tecnologia a estudos mais amplos.

Uma técnica chamada refletometria de nêutrons foi realizada no NIST. Adicionar prótons à rede cristalina do material quântico faz com que a rede inche ligeiramente. O brilho de um feixe de nêutrons no material permite que os pesquisadores detectem esse inchaço e determinem que os prótons se moveram para o material.

"Os nêutrons são muito sensíveis ao hidrogênio, tornando a reflectometria de nêutrons a técnica ideal para determinar se o inchaço e a grande mudança na resistência são causados ​​pela entrada de hidrogênio no material proveniente da água salgada, "disse Joseph Dura, um físico do NIST.

Os pesquisadores fabricaram o dispositivo em Purdue usando um método chamado deposição física de vapor.