Forskare vid Texas A&M University letar efter naturen efter inspiration för att utveckla en ny metod för plasmaproduktion under vattnet med räkor som modell - en upptäckt som kan ge betydande förbättringar för åtgärder som sträcker sig från vattensterilisering till borrning.
Dr David Staack, docent vid J.Mike Walker '66 Institutionen för maskinteknik, och Xin Tang, en doktorsexamen kandidat och forskarassistent vid institutionen, använde 3D-utskriftsteknik för att inte bara replikera den fysiska formen på en räksklo, men också den komplexa mekanism genom vilken den genererar plasma.
Teamets forskning publicerades den 15 mars i onlinetidsskriften Vetenskapliga framsteg .
"Rent generellt, när du tittar på naturen, evolutionärt tryck gör det så att naturen är mycket effektiv på att göra saker, "Sa Staack." Jag tycker det är intressant att räkorna har gjort intensiva chockvågor, plasmakemi och nanopartikelsyntes i miljontals år. "
När den snappande räkan - även känd som pistolräkan - knäpper sin klo, det skjuter ut en vattenstråle tillräckligt snabbt för att generera en bubbla som, när det kollapsar, skapar ett högt ljud och avger ljus. De höga tryck och temperaturer som produceras i denna process leder till plasmabildning.
Projektet, ledd av Staack, började för mer än fyra år sedan som en utlöpare av ett National Science Foundation (NSF) -finansierat projekt om elektrisk urladdningsplasma i vätskor. Vid jämförelse av plasmagenereringsprocessen för snappräkorna med deras elektriska plasmaprocess, forskarna blev nyfikna om de kunde hitta ett sätt att mäta och replikera dess egenskaper.
Forskarna bestämde sig för att efterlikna mekaniken i den snappande räkklon med första stöd från NSF, noggrant studerat hur havsvarelsen skapar en kavitationsbubbla som genererar plasma vid upp till 3, 000 grader Fahrenheit.
"I vårt papper, vi rapporterar den första direkta avbildningen av ljusutsläpp som induceras med samma metod som räkorna använder:den mekaniskt genererade energin som fokuserar på en kollapsande kavitation och följande chockvågspridning, "Staack sa." Den bioinspirerade mekaniska designen tillät oss att utföra repetitiva och konsekventa experiment på plasmagenereringen och indikera en signifikant ökning av konverteringseffektiviteten jämfört med sonisk, laser och elektrisk inducerad kavitation. "
Staack sa att användningen av 3D-utskrift var avgörande för utvecklingen av detta projekt, låta forskarna skapa en korrekt, uppskalad modell av snappande räkklo på ett sätt som var omöjligt för bara några år sedan.
Tidigare försök att replikera räkornas beteende fokuserade på räkornas tvådimensionella geometri, slutligen saknade några av de komplexa 3D-processerna som nyare teknik tillät forskarna att återskapa mekanismen framgångsrikt.
Staack och Tang skapade en 3-D-modell av en snappande räks smälta kloskal fem gånger större än den verkar i naturen. För att driva mekanismen utan hjälp av räkmusklerna, forskarna implementerade ett musfällfälleliknande fjädersystem.
I naturen, räkor använder kavitationsbubblan som ett vapen för att generera chocker och bedöva deras byte. En uppskalad version av räkmekanismen kan användas för ett brett spektrum av discipliner inklusive analytisk kemi, fysik och materialbearbetning.
"Räkor använder systemen som ett vapen och det är verkligen en applikation, "Staack sa." Trycket och stötarna kan bedöva små fiskar eller bryta sönder en njursten. Kavitationen och dynamiken kan användas för att modifiera gränslagerflödet och minska motståndet för en båt. Andra tillämpningar drar fördel av plasmatillståndets kemi. Nanopartiklar kan syntetiseras med exotiska faser på grund av de extrema förhållandena under syntesen. Vatten kan steriliseras. Olja kan uppgraderas. "
Hämtar inspiration från de snappande räkornas plasma- och chockvågsfunktioner, Staack arbetar med ett team av kollegor från maskintekniska avdelningen på ett spin-off-projekt för att främja borrtekniken som används för att skapa geotermiska brunnar som slår in i jordens naturliga värme. Genom att möjliggöra för elektroder på spetsen av en borrkrona att avge en mikroskopisk plasmaurladdning, tekniken hjälper till att bryta igenom hårdrock och effektivisera borrprocessen.
Går vidare, Staack sa att några av målen för framtida forskning inkluderar att bestämma temperaturen på plasma som genereras, ta reda på hur stora de kan skala upp mekanismen och testa några potentiella applikationer.
De arbetar också med att förfina den mest effektiva versionen av mekanismen, ta bort delar från klo -modellen som inte tjänar ett syfte vid skapandet av plasma.
"Vad vi har lärt oss av detta är att vi inte behöver all denna räkorbiologi, "Staack sa." Vi behöver den lilla ryggkolven och vi behöver kanalen, men vi behöver inte den del som räkorna använder för att slå med. Det finns saker som utvecklats av olika anledningar. Några av de saker vi gör nu är att ta reda på vad den destillerade versionen av denna mekanism är. "
