“Shark-like” sensor detects electrical signals in water / Il sensore "Shark" rileva i segnali elettrici nell'acqua

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Hammerhead sharks are particularly sensitive to electrical signals because of a high density of electroreceptors in their oddly-shaped heads

Gli squali martello sono particolarmente sensibili ai segnali elettrici a causa di un'alta densità di elettrorecettori nelle loro teste dalla forma strana

The exotic properties of a quantum material could lead to shark-inspired devices for studying the marine environment

Taking inspiration from an organ that helps sharks hunt for their prey, materials scientists at Purdue University in Indiana have developed a sensor that can detect minute electrical signals travelling through salt water, and is robust enough to survive the harsh conditions of frigid seas.

The sensor, which is described in a paper in Nature, could help study marine ecosystems and organisms, or could detect the movements of shipping for commercial or military maritime applications, its developers claim.

Sharks, in common with some other marine species, have the ability to detect electrical signals, which gives away the location of their prey. They do this thanks to an organ located near their mouth, called the ampullae of Lorenzini. This contains a jelly that can conduct ions in the seawater towards a membrane at the base of the organ which contains cells that can detect them. This inspired the Purdue team, led by materials engineer Shriram Ramanathan, to look for a method of replicating this ability.

The device they have developed gets its properties from a material that acts in bizarre ways, owing to the way its electrons behave. Samarium nickelate is a class of materials known as perovskites, which are also the subject of intensive research because of their potential in low-cost photovoltaic cells. They are also quantum materials, meaning that their properties result from quantum mechanical interactions.

The Purdue team, led by Shriram Ramanathan (centre in red) worked with many other institutions

Samarium nickelate has the unusual ability to conduct protons, which can pass from the water into the material and out again, and also undergoes a dramatic phase change from conductor to insulator. This phase change also causes it to become more transparent, and as it absorbs protons, it swells slightly. This potentially gives technologists a variety of ways to study the changes caused by electric signals in the water; moreover, the ability to exchange protons reversibly with the water protects it from corrosion.

Aluminium, by contrast, forms a protective oxide coating in water, but this prevents further interaction with the environment.

“Here, we start with the oxide material and we are able to maintain its functionality, which is very rare,” Ramanathan said. “If the material transmits light differently, then you can use light as a probe to study the property of the material and that is very powerful. Now you have multiple ways to study a material, electrically and optically.”

Ramanathan’s team found that the sensitivity of the detector was remarkably similar to a shark’s electrical sense. “We show that these sensors can detect electrical potentials well below one volt, on the order of millivolts, which is comparable to electric potentials emanated by marine organisms. The material is very sensitive. We calculated the detection distance of our device and find a similar length scale to what has been reported for electroreceptors in sharks.”

ITALIANO

Le proprietà esotiche di un materiale quantistico potrebbero portare a dispositivi ispirati allo squalo per studiare l'ambiente marino

Prendendo ispirazione da un organo che aiuta gli squali a cacciare la loro preda, i ricercatori della Purdue University nell'Indiana hanno sviluppato un sensore in grado di rilevare i segnali elettrici minuti che viaggiano attraverso l'acqua salata ed è abbastanza robusto per sopravvivere alle dure condizioni dei mari freddi.

Il sensore, descritto in un articolo su Nature, potrebbe aiutare a studiare gli ecosistemi e gli organismi marini, o potrebbe rilevare i movimenti di spedizione per applicazioni marittime commerciali o militari, sostengono i suoi sviluppatori.

Gli squali, in comune con alcune altre specie marine, hanno la capacità di rilevare i segnali elettrici, che trasmettono la posizione della loro preda. Lo fanno grazie ad un organo situato vicino alla bocca, chiamato ampolla di Lorenzini. Questo contiene una gelatina che può condurre gli ioni nell'acqua di mare verso una membrana alla base dell'organo che contiene cellule in grado di rilevarli. Questo ha ispirato il gruppo di Purdue, guidato dall'ingegnere dei materiali Shriram Ramanathan, a cercare un metodo per replicare questa abilità.

Il dispositivo che hanno sviluppato ottiene le sue proprietà da un materiale che agisce in modi bizzarri, a causa del modo in cui i suoi elettroni si comportano. Il nichelato di samario è una classe di materiali noti come perovskite, che sono anche oggetto di ricerca intensiva a causa del loro potenziale nelle celle fotovoltaiche a basso costo. Sono anche materiali quantistici, il che significa che le loro proprietà derivano da interazioni meccaniche quantistiche.

Il nichelato di samario ha l'insolita capacità di condurre protoni, che possono passare dall'acqua al materiale e di nuovo fuori, e subiscono anche un cambiamento di fase drammatico dal conduttore all'isolante. Questo cambiamento di fase lo fa anche diventare più trasparente e, poiché assorbe i protoni, si gonfia leggermente. Ciò offre potenzialmente ai tecnici una varietà di modi per studiare i cambiamenti causati dai segnali elettrici nell'acqua; inoltre, la capacità di scambiare i protoni in modo reversibile con l'acqua lo protegge dalla corrosione.

L'alluminio, al contrario, forma un rivestimento protettivo di ossido in acqua, ma ciò impedisce ulteriori interazioni con l'ambiente.

"Qui, iniziamo con il materiale di ossido e siamo in grado di mantenere la sua funzionalità, il che è molto raro", ha detto Ramanathan. "Se il materiale trasmette la luce in modo diverso, allora puoi usare la luce come sonda per studiare la proprietà del materiale e questo è molto potente. Ora hai diversi modi per studiare un materiale, elettricamente e otticamente ".

Il gruppo di Ramanathan ha scoperto che la sensibilità del rivelatore era notevolmente simile al sensore elettrico di uno squalo. "Dimostriamo che questi sensori possono rilevare potenziali elettrici ben al di sotto di un volt, dell'ordine di millivolt, che è paragonabile ai potenziali elettrici emessi dagli organismi marini. Il materiale è molto sensibile. Abbiamo calcolato la distanza di rilevamento del nostro dispositivo e trovato una scala di lunghezza simile a quella riportata per gli elettrorecettori negli squali".

Da:

https://www.theengineer.co.uk/shark-like-sensor-detects-electrical-signals-water/?cmpid=tenews_4477961&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79