Ett "kvantmaterial" som efterliknar en hajs förmåga att upptäcka de små elektriska fälten hos små byten har visat sig fungera bra under havsliknande förhållanden, med potentiella tillämpningar från försvar till marinbiologi.

Materialet bibehåller sin funktionella stabilitet och korroderar inte efter att ha nedsänkts i saltvatten, en förutsättning för havsavkänning. Förvånande, det fungerar också bra i kylan, omgivande temperaturer typiska för havsvatten, sa Shriram Ramanathan, en Purdue -professor i materialteknik.

En sådan teknik kan användas för att studera havsorganismer och ekosystem och för att övervaka fartygens rörelse för militära och kommersiella maritima tillämpningar.

"Så, det har potentiellt mycket stort intresse för många discipliner, "sa Ramanathan, som ledde forskning för att utveckla sensorn, arbeta med ett team som inkluderade Purdue postdoktorala forskningsassistent Zhen Zhang och doktorand Derek Schwanz.

Resultaten beskrivs i en forskningsartikel som publicerades 18 december online i tidningen Natur . Tidningens huvudförfattare var Zhang och Schwanz, arbetar med kollegor på Argonne National Laboratory, Rutgers University, National Institute of Standards and Technology, Massachusetts Institute of Technology, den kanadensiska ljuskällan vid University of Saskatchewan, Columbia University, och University of Massachusetts. En komplett lista över medförfattare ingår i abstraktet.

Den nya sensorn inspirerades av ett organ nära en hajmun som kallas Lorenzinis ampullae, som kan upptäcka små elektriska fält från bytesdjur.

"Detta organ kan interagera med sin miljö genom att utbyta joner från havsvatten, ger hajar det så kallade sjätte sinnet, "Sa Zhang.

Orgeln innehåller en gelé som leder joner från havsvatten till ett specialiserat membran som ligger i botten av ampullen. Avkännande celler i membranet gör att hajen kan upptäcka bioelektriska fält som utsöndras av bytesfisk.

Den nya sensorn är gjord av ett material som kallas samarium nickelat, som är ett kvantmaterial, vilket innebär att dess prestanda slår in på kvantmekaniska interaktioner. Samarium nickelat är i en klass av kvantmaterial som kallas starkt korrelerade elektronsystem, som har exotiska elektroniska och magnetiska egenskaper.

Eftersom detta material kan leda protoner mycket snabbt, forskarna undrade om de kan utveckla en sensor som efterliknar hajens organ.

"Vi har arbetat med det här i några år, "Ramanathan sa." Vi visar att dessa sensorer kan upptäcka elektriska potentialer långt under en volt, i storleksordningen millivolt, vilket är jämförbart med elektriska potentialer från marina organismer. Materialet är mycket känsligt. Vi beräknade detekteringsavståndet för vår enhet och hittar en liknande längdskala som vad som har rapporterats för elektroreceptorer i hajar. "

Kvanteffekten gör att materialet genomgår en dramatisk "fasförändring" från en ledare till en isolator, vilket gör att den kan fungera som en känslig detektor. Materialet utbyter också massa med miljön, när protoner från vattnet rör sig in i materialet och sedan återvänder till vattnet, går fram och tillbaka.

"Att ha ett sådant material är väldigt kraftfullt, "Sa Schwanz.

Metaller som aluminium, till exempel, bilda omedelbart en oxidbeläggning när den placeras i havsvatten. Reaktionen skyddar mot korrosion men förhindrar ytterligare interaktion med miljön.

"Här, vi börjar med oxidmaterialet och vi kan behålla dess funktionalitet, vilket är mycket sällsynt, "Sa Ramanathan.

Materialet ändrar också optiska egenskaper, blir mer transparent när det blir mer isolerande.

"Om materialet överför ljus annorlunda, då kan du använda ljus som en sond för att studera materialets egenskap och det är mycket kraftfullt. Nu har du flera sätt att studera ett material, elektriskt och optiskt. "

Materialet testades genom att sänka ner det i simulerade havsvattenmiljöer utformade för att täcka de stora temperatur- och pH -områden som finns över jordens hav. I framtida arbete, forskare planerar att testa enheterna i riktiga hav istället och kan samarbeta med biologer för att tillämpa tekniken på bredare studier.

En teknik som kallas neutronreflektometri utfördes vid NIST. Att lägga protoner till kristallgitteret i kvantmaterialet gör att gallret sväller något. Genom att lysa en neutronstråle på materialet kan forskare upptäcka denna svullnad och bestämma att protonerna rörde sig in i materialet.

"Neutroner är mycket känsliga för väte, gör neutronreflektometri till den idealiska tekniken för att avgöra om svullnad och enorm resistensförändring orsakas av att väte kommer in i materialet från saltvatten, "sa Joseph Dura, en NIST -fysiker.

Forskare tillverkade enheten på Purdue med en metod som kallas fysisk ångavsättning.