Исследователи Техасского университета A&M обращаются к природе за вдохновением при разработке нового метода генерации подводной плазмы с использованием креветок в качестве модели.
Доктор. Дэвид Стаак, доцент кафедры машиностроения J. Mike Walker '66, и Синь Тан, доктор философии.кандидат и аспирант кафедры, использовал технологию 3D-печати, чтобы воспроизвести не только физическую форму клешни щелкающей креветки, но и сложный механизм, посредством которого она генерирует плазму.
Исследование команды было опубликовано 15 марта в онлайн-журнале Science Advances.
«Вообще, когда вы смотрите на природу, эволюционное давление заставляет ее действовать очень эффективно», - сказал Стаак. «Мне кажется интересным, что креветка занимается интенсивными ударными волнами, плазмохимией и синтезом наночастиц в течение миллионов лет».
Когда щелкающая креветка, также известная как креветка-пистолет, щелкает клешнями, она выбрасывает струю воды достаточно быстро, чтобы образовался пузырь, который при схлопывании издает громкий шум и излучает свет. Высокие давления и температуры, возникающие в этом процессе, приводят к образованию плазмы.
Проект под руководством Стаака начался более четырех лет назад как ответвление финансируемого Национальным научным фондом (NSF) проекта по исследованию плазмы электрического разряда в жидкостях. Сравнивая процесс генерации плазмы у щелкающих креветок с их электрическим плазменным процессом, исследователям стало любопытно, смогут ли они найти способ измерить и воспроизвести его свойства.
Исследователи намеревались имитировать механику клешней щелкающей креветки при первоначальной поддержке NSF, тщательно изучая, как морское существо создает кавитационный пузырь, который генерирует плазму при температуре свыше 3000 градусов по Фаренгейту.
«В нашей статье мы сообщаем о первой прямой визуализации светового излучения, вызванного тем же методом, который используют креветки: механически генерируемая энергия фокусируется на разрушающейся кавитации и последующем распространении ударной волны», - сказал Стаак. «Вдохновленная биотехнологией механическая конструкция позволила нам проводить повторяющиеся и последовательные эксперименты по генерации плазмы и показала значительное увеличение эффективности преобразования по сравнению со звуковой, лазерной и электрической кавитацией».
Стаак сказал, что использование 3D-печати сыграло важную роль в развитии этого проекта, позволив исследователям создать точную, увеличенную модель клешни щелкающей креветки способом, который был невозможен всего несколько лет назад.
Предыдущие попытки воспроизвести поведение креветки были сосредоточены на двухмерной геометрии креветки, в конечном итоге упуская некоторые сложные трехмерные процессы, которые новые технологии позволили исследователям успешно воссоздать механизм.
Стаак и Танг создали 3D-модель линяющей скорлупы когтей щелкающей креветки, которая в пять раз больше, чем кажется в природе. Чтобы привести механизм в действие без помощи мышц креветки, исследователи внедрили пружинную систему, похожую на мышеловку.
В природе креветки используют кавитационный пузырь как оружие, чтобы генерировать удары током и оглушать свою добычу. Увеличенная версия механизма креветки может быть использована для широкого круга дисциплин, включая аналитическую химию, физику и обработку материалов.
«Креветки используют системы как оружие, и это, безусловно, одно из применений», - сказал Стаак. «Давление и удары могут оглушить мелкую рыбу или разрушить почечный камень. Кавитацию и динамику можно использовать для изменения потока в пограничном слое и уменьшения сопротивления лодки. В других приложениях используется химия состояния плазмы. Наночастицы могут быть синтезированы с экзотическими фазами из-за экстремальных условий во время синтеза. Воду можно стерилизовать. Масло можно улучшить."
Черпая вдохновение из плазмы и ударных волн щелкающих креветок, Стаак работает с командой коллег из отдела машиностроения над дополнительным проектом по совершенствованию технологии бурения, используемой для создания геотермальных скважин, которые подключаются к Земле. природное тепло. Благодаря тому, что электроды на наконечнике бурового долота испускают микроскопический плазменный разряд, эта технология поможет пробить твердую породу и упростить процесс бурения.
Двигаясь вперед, Стаак сказал, что некоторые из целей будущих исследований включают определение температуры генерируемой плазмы, выяснение того, насколько они могут масштабировать механизм, и тестирование некоторых потенциальных приложений.
Они также работают над усовершенствованием наиболее эффективной версии механизма, удаляя из модели когтя части, которые не используются для создания плазмы.
«Из этого мы узнали, что нам не нужна вся эта биология креветок», - сказал Стаак. «Нам нужен маленький задний поршень и нам нужен канал, но нам не нужна часть, которой креветка ударяет. Есть некоторые вещи, которые развились по разным причинам. какова очищенная версия этого механизма."
Видео: