Os pesquisadores da Texas A&M University buscam inspiração na natureza para desenvolver um novo método de geração de plasma subaquático usando camarão como modelo - uma descoberta que pode fornecer melhorias significativas para ações que vão desde a esterilização da água até a perfuração.

Dr. David Staack, professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica J. Mike Walker '66, e Xin Tang, um Ph.D. candidato e assistente de pesquisa de pós-graduação no departamento, usou a tecnologia de impressão 3-D para replicar não apenas a forma física da garra de um camarão, mas também o complexo mecanismo pelo qual gera plasma.

A pesquisa da equipe foi publicada em 15 de março no jornal online Avanços da Ciência .

"Geralmente, quando você olha para a natureza, a pressão evolutiva faz com que a natureza seja muito eficiente em fazer as coisas, "Staack disse." Acho interessante que o camarão tem causado intensas ondas de choque, química do plasma e síntese de nanopartículas por milhões de anos. "

Quando o camarão agarrador - também conhecido como camarão pistola - quebra sua garra, ele dispara um jato de água rápido o suficiente para gerar uma bolha que, quando ele desmorona, cria um ruído alto e emite luz. As altas pressões e temperaturas produzidas neste processo levam à formação do plasma.

O projeto, liderado por Staack, começou há mais de quatro anos como um desdobramento de um projeto financiado pela National Science Foundation (NSF) sobre plasma de descarga elétrica em líquidos. Ao comparar o processo de geração de plasma do camarão agarrado ao seu processo elétrico de plasma, os pesquisadores ficaram curiosos para saber se poderiam encontrar uma maneira de medir e replicar suas propriedades.

Os pesquisadores se propuseram a imitar a mecânica da unha do camarão com o apoio inicial da NSF, estudar cuidadosamente como a criatura do mar cria uma bolha de cavitação que gera plasma em mais de 3, 000 graus Fahrenheit.

"Em nosso jornal, relatamos a primeira imagem direta da emissão de luz induzida pelo mesmo método que o camarão usa:a energia gerada mecanicamente com foco em uma cavitação em colapso e na propagação da onda de choque seguinte, "Staack disse." O projeto mecânico bioinspirado nos permitiu realizar experimentos repetitivos e consistentes na geração de plasma e indicar um aumento significativo na eficiência de conversão em comparação com o sônico. cavitação induzida por laser e elétrica. "

Staack disse que o uso de impressão 3-D foi fundamental para o progresso deste projeto, permitindo que os pesquisadores criem uma modelo ampliado da garra do camarão de uma forma que era impossível apenas alguns anos atrás.

Tentativas anteriores de replicar o comportamento do camarão focaram na geometria bidimensional do camarão, em última análise, faltando alguns dos complexos processos 3-D que a tecnologia mais recente permitiu aos pesquisadores recriar o mecanismo com sucesso.

Staack e Tang criaram um modelo 3-D da casca das garras com muda de um camarão cinco vezes maior do que parece na natureza. Para acionar o mecanismo sem o auxílio dos músculos do camarão, os pesquisadores implementaram um sistema de mola semelhante a uma ratoeira.

Na natureza, camarões usam a bolha de cavitação como arma para gerar choques e atordoar suas presas. Uma versão ampliada do mecanismo do camarão pode ser usada para uma ampla gama de disciplinas, incluindo química analítica, física e processamento de materiais.

"O camarão usa os sistemas como uma arma e isso é certamente uma aplicação, "Staack disse." A pressão e os choques podem atordoar peixes pequenos ou quebrar uma pedra nos rins. A cavitação e a dinâmica podem ser usadas para modificar o fluxo da camada limite e reduzir o arrasto de um barco. Outras aplicações tiram proveito da química do estado do plasma. Nanopartículas podem ser sintetizadas com fases exóticas devido às condições extremas durante a síntese. A água pode ser esterilizada. O óleo pode ser atualizado. "

Inspirando-se nas capacidades de plasma e ondas de choque do camarão, Staack está trabalhando com uma equipe de colegas do departamento de engenharia mecânica em um projeto spin-off para promover a tecnologia de perfuração usada para criar poços geotérmicos que exploram o calor natural da Terra. Ao permitir que os eletrodos na ponta de uma broca de perfuração emitam uma descarga microscópica de plasma, a tecnologia ajudará a romper rochas duras e agilizar o processo de perfuração.

Seguindo em frente, Staack disse que alguns dos objetivos para pesquisas futuras incluem determinar a temperatura do plasma gerado, descobrir o quão grande eles podem escalar o mecanismo e testar alguns aplicativos em potencial.

Eles também estão trabalhando para refinar a versão mais eficiente do mecanismo, remoção de peças do modelo de garra que não servem a um propósito na criação de plasma.

"O que aprendemos com isso é que não precisamos de toda essa biologia de camarão, "Staack disse." Precisamos do pequeno êmbolo traseiro e do canal, mas não precisamos da parte que o camarão usa para bater. Existem algumas coisas que evoluíram por diferentes razões. Algumas das coisas que estamos fazendo agora são descobrir qual é a versão destilada desse mecanismo. "