ساخت نوعی حسگر الکتریکی با الهام از سلاح مخفی کوسه ‏

چکیده:
کوسه‌ها از نوعی قابلیت غیرعادی برخوردارند به گونه‌ای کوچکترین میدان الکتریکی را احساس می‌کنند. این کار به آنها کمک کرده به سوی طعمه روانه شوند. اکنون نوعی حسگر الکتریکی این قابلیت را شبیه سازی کرده و می‌تواند در آب شور بکار گرفته شود. این ماده جدید در پاسخ به میدانهای الکتریکی ضعیف موجود در دریا تغییر می‌کند.

تعداد کلمات: 1040 / تخمین زمان مطالعه: 5 دقیقه

مترجم: رزیتا ملکی‌زاده

کوسه‌ها دارای سلاحی مخفی در پوزه خود هستند که به آنها در شکار کمک می‌کند. این سلاح مخفی یکی از اندامهای بدن آنها است که می‌تواند سیگنالهای الکتریکی ضعیف ارسال شده از موجودات دیگر را احساس کند. اکنون مهندسان در ایندیانا ماده‌‌ی جدیدی را برای دستگاه‌های الکترونیکی ساخته‌اند که می‌تواند عمل حسگر موجود در کوسه را شبیه سازی ‌کند. این دستگاه حتی در آب شور که عموماً محیطی نامناسب برای وسایل الکترونیکی است (به عنوان مثال اگر گوشی هوشمندتان در آب دریا انداخته شود، دستگاه از کار افتاده و خراب می‌شود)، می‌تواند به خوبی کار کند.

این وسیله جدید احتمال دارد به طرق مختلف از مطالعه آبزیان گرفته تا ساخت ابزاری نو برای زیردریایی‌ها مفید فایده باشد. این وسیله از ماده‌ای تحت عنوان نیکلیت ساماریوم (samarium nickelate‎) یا SNO ساخته شده است و می‌تواند برخی از میدانهای الکتریکی ضعیف موجود در دریا را تشخیص دهد.

بسیاری از جانداران آبزی از صدف‌های کوچک گرفته تا ماهیان بزرگ، سیگنالهای الکتریکی تولید می‌کنند.بسیاری از جانداران آبزی از صدف‌های کوچک گرفته تا ماهیان بزرگ، سیگنالهای الکتریکی تولید می‌کنند. کوسه‌ها و سایر شکارچیان دریایی از جمله لقمه ماهی و سفره ماهی این میدانهای الکتریکی را احساس می‌کنند. آنها این کار را با اندامی تحت عنوان آمپولا یا آمپول لورنزینی (ampullae of lorenzini) انجام می‌دهند. دانشمندان چنین بافتهایی را گیرنده‌های الکتریکی نامند به این دلیل که میدان‌های الکتریکی را تشخیص می‌دهند.

اندام حسی آمپولا شبیه به ردیفی از منافذ یا حفره‌های کوچک است که نزدیک به دهان و بر روی پوزه کوسه قرار دارد. این منافذ به کانال‌های کوتاه پر از مواد ژلاتینی منتهی می‌شوند. در انتهای دیگر این کانالها درست پشت ماده ژلاتینی سلولهای حسی خاصی قرار دارند.

چنانه یک ماهی مجاور، از خود میدان الکتریکی تولید نماید، این سلولهای حسی سیگنالهایی را به مغز کوسه ارسال می‌کنند که مضمون آن واژه‌ی «غذا» است.

SNO ‎ جدید نیز الکتریسته را تشخیص می‌دهد که خود می‌تواند نمونه‌ای از یک ماده‌ی کوانتومی به حساب آید. این بدان معناست که دارای خواص الکترونیکی است یعنی انواعی که دانشمندان قادر نیستند آن را به طور کامل توضیح دهند. (این خواص که تحت عنوان اثرات کوانتومی شناخته می‌شوند، به دلیل رفتارهای غیر عادی اتم‌ها در کوچکترین مقیاس بوجود می‌آیند). با وجود آنکه دانشمندان به درک دقیقی از علت آنچه یک ماده کوانتومی انجام می‌دهد، نرسیده‌اند، اما هنوز هم می‌توانند اثرات آن را مورد مطالعه قرار دهند.

شریرام راماناتان مهندس مواد شاغل در دانشگاه پوردو در وست لافایت ایندیانا تیمی را هدایت می‌کند که این حسگر نوین را طراحی کرده‌اند. SNOها در موقعیت‌های مختلف، واکنش متفاوتی از خود نشان می‌دهند. به عنوان مثال در دمای اتاق یا سردتر از آن، یک SNO ‎ اجازه داده مقداری بار الکتریکی از آن عبور کند. این امر موجب نیمه رسانا شدن آن می‌شود. اما در دمای 130 درجه سانتیگراد به یک رسانای حقیقی تبدیل می‌شود. این بدان معناست که اجازه آزادانه جریان یافتن بار الکتریکی را از میان خود می‌دهد.

راماناتان و تیم او در سال 2014 راه دیگری برای تغییر یک SON یافتند. آنها ذراتی با بار مثبت تحت عنوان پروتون را به آن افزودند. افزودن مولکول‌های مازاد یا پروتون‌ها را به یک ماده «دوپینگ» گویند (که به معنای تقویت کردن). این کار SNO را در دمای اتاق به یک نارسانا تبدیل می‌کند. به این معنی که اجازه عبور بارهای الکتریکی را از خود نمی‌دهد. مهمتر آنکه به دانشمندان نشان داد که چگونه خواص این ماده را تعدیل و تنظیم نمایند. آنها ‌توانستند این ماده را به گونه‌ای تنظیم کنند که تنها با افزودن یا کاستن پروتون به آن، در دمای کمتر از 130 درجه سانتیگراد نیز کمابیش رسانا شود.

محققان با تنظیم و تعدیل SNO به این روش، می‌توانند آن را بیشتر شبیه به حسگر موجود در کوسه سازند. به عنوان مثال در چند سال اخیر دانشمندان کشف کرده‌اند که ماده ژلاتینی موجود در منافذ کوسه در هدایت پروتون‌ها به خوبی عمل می‌کنند. آنها معتقدند که این پروتون‌ها موجب افزایش حساسیت کوسه نسبت به میدانهای الکتریکی می‌شود. آنها همان کار را بر روی SNO جدید خود کردند بدین معنی که پروتون‌های افزوده شده، آن را فوق‌العاده حساس می‌نمایند. دیگر شباهت آن با کوسه‌ها این است که SNO تقویت شده همچنین در آب شور کار می‌کند.

حسگر کوانتومی (این چهارگوش کوچک حسگری است که می‌تواند میدانهای الکتریکی ضعیف را در دریا دریافت کند و از یک ماده‌ی کوانتومی ساخته شده است.)

هنگامی که SNO یک میدان الکتریکی را احساس می‌کند، مقاومت آن افزایش می‌یابد. این بدان معناست که از عبور بارهای الکتریکی ممانعت به عمل آورده و در آن واحد شفاف یا نامرئی می‌شود. بنابراین یک SNO در آب می‌تواند میدانهای الکتریکی را هم از طریق نحوه هدایت الکتریکی و هم ظاهر خود آشکار سازد.

این ماده جدید برخلاف یک کوسه، تیره و درخشان است. پژوهشگران در آخرین تحقیقات خود بر روی قطعه‌ای به کوچکی ناخن انگشت کوچک کار کردند. آنها قدرت احساس و دریافت آن را با استفاده‌ از نمونه‌های آب شور در آزمایشگاه مورد آزمایش قرار دادند. SNO میدانهایی به ضعیفی 5ر4 میکروولت را تشخیص داد که حدود قدرت میدان الکتریکی تولید شده توسط یک حلزون دریایی است. آنها قصد دارند بزودی آن را در دریا مورد آزمایش قرار دهند.

زیردریایی‌ها می‌توانند از حسگرهای مبتنی بر SNO جهت یافتن سایر کشتی‌ها یا ماهی‌های اطراف استفاده کنند. این حسگرها می‌توانند جهت ردیابی حرکات جانداران یا انجام سنجش‌های دیگر در آب مورد استفاده قرار گیرند.
کشف دوپینگ SNO با پروتون، موجب بهبود خواص ماده مورد نظر شدبه گفته راماناتان دریافت میدانهای الکتریکی توسط SNO کار چالش برانگیزی بود که سه مرحله را پشت سر گذاشت. نخست ساخت این ماده بود. (بطوریکه 2 تا 3 سال طول کشید تا دستورالعمل صحیح آن را بدست آورند). دوم کشف دوپینگ SNO با پروتون، موجب بهبود خواص ماده مورد نظر شد (این کار نیز 3 تا 4 سال دیگر زمان برد). در آخر تیم او مجبور بودند خاصیت هدایت یا رسانایی این ماده را برای استفاده‌هایی خاص تنظیم نمایند. این به معنای یافتن شیوه صحیح افزودن پروتون به SNO است. آنها در حین آزمایش SNO تقویت شده، متوجه شدند که وسیله آنها در آب شور نیز به خوبی کار می‌کند.

کار راماناتان هنوز به پایان نرسیده است. هدف نهایی او استفاده از SNO جهت ساخت دستگاه‌هایی است که بتوانند همانند مغز در به یاد آوردن و فراموش کردن امور مختلف عمل کنند.

او در نظر دارد پنجره‌های هوشمندی را با مواد مبتنی بر SNO بسازد که بتوانند با توجه به نوری که از بیرون به داخل می‌تابد، روشنایی و تاریکی اتاق را تنظیم نمایند.

برگرفته از سایت sciencenewsforstudents

ساخت نوعی حسگر الکتریکی با الهام از سلاح مخفی کوسه ‏

مقالات مرتبط

تازه های مقالات

بیشترین بازدید هفته