Thermisches Sehen von Schlangen inspiriert weiche pyroelektrische Materialien

26.10.2020 - USA

Die Umwandlung von Wärme in Elektrizität ist eine Eigenschaft, von der man annimmt, dass sie nur steifen Materialien wie Kristallen vorbehalten ist. Forscher - inspiriert durch die Infrarot (IR)-Sicht von Schlangen - entwickelten jedoch ein mathematisches Modell zur Umwandlung weicher, organischer Strukturen in so genannte "pyroelektrische" Materialien. Die Studie in der Zeitschrift Matter beweist, dass weiche und flexible Materie in ein pyroelektrisches Material umgewandelt werden kann, und löst damit möglicherweise ein lange gehütetes Rätsel um den Mechanismus des IR-Sehens von Schlangen.

Wenn ein Material Wärme in einen elektrischen Impuls umwandeln kann, wird es als "pyroelektrisch" bezeichnet, eine Eigenschaft, die normalerweise nur bei harten, unflexiblen Substanzen zu finden ist. Das Rätsel ist, wie Schlangen mit IR-Sensorik diese Umwandlung von Wärme in Elektrizität erreichen können, obwohl sie von Natur aus eine weiche Anatomie haben.

"Die Leute dachten, wir könnten die IR-Erfassung von Schlangen erklären, wenn sich ein hartes, pyroelektrisches Material in ihrem Grubenorgan befände, aber niemand hat je eines gefunden", sagt Pradeep Sharma, der M.D. Anderson Professor und Lehrstuhlinhaber für Maschinenbau an der Universität Houston. "Wir fragten uns also, ob die Natur vielleicht dasselbe tut, während wir versuchen, diese weichen Materialien pyroelektrisch zu machen".

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Grubenottern und andere Schlangen, wie die Außerirdischen in der Predator-Serie, sind für ihre Wärmeempfindlichkeit bekannt. Tatsächlich ist das IR-Sehen von Grubenottern so scharfsichtig, dass "wenn ein Tier in pechschwarzer Dunkelheit erscheint, selbst für eine halbe Sekunde 40 Zentimeter entfernt, die Grubenotter in der Lage ist, es zu erkennen", sagt Sharma.

Diese Fähigkeit wird durch eine Struktur erreicht, die als Grubenorgan bezeichnet wird - eine Hohlkammer in der Nähe der Nasenlöcher der Schlange, die eine dünne, flexible Membran enthält. "Das Grubenorgan spielt eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Wärme in ein Signal, das sie erkennen können", sagt Sharma. "Der fehlende Teil der Gleichung war jedoch, wie die Neuronenzellen innerhalb der Membran des Grubenorgans eine Wärmesignatur in Elektrizität umwandeln, um dieses Signal zu erzeugen.

Ausgehend von der Physiologie der Membran des Grubenorgans konnten Sharma und sein Team ein mathematisches Modell konstruieren, um zu erklären, wie diese Umwandlung von Wärme in Elektrizität in einem weichen organischen Material möglich sein könnte. "Unsere Lösung ist trügerisch einfach", sagt Sharma. "Abgesehen von fortgeschritteneren Konstruktionselementen braucht man zur Herstellung eines pyroelektrischen weichen Materials nur statische, stabile Ladungen in das Material einzubetten und sicherzustellen, dass sie nicht auslaufen. Dann muss man sicherstellen, dass das Material weich genug ist, dass es in Form und Größe große Verformungen zulässt und temperaturempfindlich ist. Wenn Sie das tun, wirken sie pyroelektrisch, und genau das konnten wir in unserem Modell nachweisen. Und wir glauben, dass genau das von der Natur genutzt wird, weil dieser Prozess einfach und robust ist".

Laborexperimente mit weichen Materialien haben bereits begonnen, das Modell zu authentifizieren, obwohl weitere Forschung notwendig ist, um zu bestätigen, ob dieser vorgeschlagene Mechanismus in den Neuronenzellen der Membran des Schlangengrubeorgans stattfindet. Frühere Arbeiten hatten impliziert, dass TRPA1-Proteinkanäle, die sich innerhalb der Neuronenzellen der Membran befinden, eine wichtige Rolle spielen; die Beziehung dieser Kanäle zu dem vorgeschlagenen Mechanismus in der Arbeit ist jedoch noch unbekannt.

"Mit diesem Modell kann ich mit Zuversicht ein künstliches weiches Material mit pyroelektrischen Eigenschaften erzeugen - daran besteht kein Zweifel. Und wir sind ziemlich sicher, dass wir zumindest einen Teil der Lösung, wie diese Schlangen in der Dunkelheit sehen können, aufgedeckt haben, sagt Sharma. "Jetzt, da wir das Modell entwickelt haben, können andere Wissenschaftler nach vorne kommen und mit den Experimenten beginnen, um zu bestätigen oder zu bestreiten, ob unsere Theorie über die Schlangen-IR-Sensorik richtig ist.

Als nächstes möchte Sharma seine Forschungen über weiche Materie fortsetzen und untersuchen, wie man sie so manipulieren kann, dass sie ausschließlich aus einem Magnetfeld Strom erzeugt. Mit ausreichender Forschung hofft Sharma, die Entwicklung von Pyro-, Piezo- und magnetoelektrischen weichen Materialien zu inspirieren und damit die Möglichkeiten der Stromerzeugung zu erweitern.

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