Att omvandla värme till el är en egenskap som tros vara reserverad endast för styva material som kristaller. Dock, forskare – inspirerade av ormars infraröda (IR) syn – utvecklade en matematisk modell för att konvertera mjuka, organiska strukturer till så kallade "pyroelektriska" material. Studien, visas den 21 oktober i tidningen Materia , bevisar att mjuk och flexibel materia kan omvandlas till ett pyroelektriskt material och löser potentiellt ett långvarigt mysterium kring mekanismen för IR-seende hos ormar.

När ett material kan omvandla värme till en elektrisk impuls kallas det "pyroelektrisk, "en egenskap som vanligtvis bara finns i hårda, oflexibla ämnen. Mysteriet är hur IR-avkännande ormar kan uppnå denna värme-till-elektricitetsomvandling trots att de har naturligt mjuk anatomi.

"Folk trodde att vi kunde förklara IR-avkänningen av ormar om det var en hård, pyroelektriskt material i deras groporgan, men ingen hittade en, " säger Pradeep Sharma, M.D. Anderson professor och ordförande för maskinteknik vid University of Houston. "Så, vi undrade om precis som vi försöker göra dessa mjuka material pyroelektriska, kanske naturen gör samma sak."

Grophuggormar och andra ormar, som utomjordingarna i Predator-serien, är välkända för sin värmeavkänning. Faktiskt, IR-seendet hos huggormar är så akut känsligt att "om ett djur dyker upp i kolsvart mörker, även för en halv sekund 40 centimeter bort, huggormen kommer att kunna upptäcka det, säger Sharma.

Denna förmåga uppnås genom en struktur som kallas ett groporgan – en ihålig kammare nära ormens näsborrar som innehåller en tunn, flexibelt membran. "Groporganet spelar en viktig roll för att bearbeta värme till en signal som de kan upptäcka, " säger Sharma. "Men, den saknade delen av ekvationen var hur neuroncellerna i groporganets membran omvandlar en värmesignatur till elektricitet för att skapa den signalen."

Genom att använda fysiologin hos groporganets membran som inspiration, Sharma och hans team kunde konstruera en matematisk modell för att förklara hur denna omvandling från värme till elektricitet kunde vara möjlig i ett mjukt organiskt material. "Vår lösning är bedrägligt enkel, " säger Sharma. "Förutom mer avancerade designelement, för att göra ett pyroelektriskt mjukt material behöver du bara bädda in statisk, stabila laddningar i materialet och se till att de inte läcker ut. Sedan måste du se till att materialet är tillräckligt mjukt för att det kan deformeras i form och storlek och har en temperaturkänslighet. Om du gör det, de kommer att verka pyroelektriskt, och det är vad vi har kunnat bevisa i vår modell. Och vi tror att det är exakt vad naturen använder eftersom den här processen är enkel och robust."

Labexperiment med mjuka material har redan börjat autentisera modellen, även om ytterligare forskning behövs för att bekräfta om denna föreslagna mekanism äger rum i neuroncellerna i ormens groporganmembran. Tidigare arbete hade inblandat TRPA1-proteinkanaler belägna inom membranets neuronceller som spelar en viktig roll; dock, förhållandet mellan dessa kanaler och den föreslagna mekanismen i tidningen är ännu okänd.

"Med den här modellen, Jag kan med tillförsikt skapa ett konstgjort mjukt material med pyroelektriska egenskaper – det råder det ingen tvekan om. Och vi är ganska säkra på att vi har avslöjat åtminstone en del av lösningen på hur dessa ormar kan se i mörkret, säger Sharma. "Nu när vi har utvecklat modellen, andra forskare kan träda fram och börja göra experimenten för att bekräfta eller förneka om vår teori om orm IR-avkänning är korrekt."

Nästa, Sharma vill fortsätta sin forskning om mjuk materia, utforska hur man manipulerar dem för att generera elektricitet enbart från ett magnetfält. Med tillräckligt med forskning hoppas Sharma kunna inspirera utvecklingen av pyro, piezo, och magnetoelektriska mjuka material, utöka möjligheterna för hur vi genererar el.