导读

最近，美国普渡大学的科研人员模仿鲨鱼的“洛仑兹壶腹 ”，开发出一种“量子材料”，它可以在海洋环境中检测小型猎物周围的微弱电场，并有望应用于国防和海洋生物学领域。

背景

大自然赋予科研创新各种灵感，这种例子比比皆是，笔者之前也多次介绍有关仿生学的创新成果。有些创新设计灵感是来源于生物的器官，例如：昆虫复眼。

（图片来源：维基百科）

复眼技术作为一项仿生学技术，已应用于运动目标监控等多个领域，其中包括自动目标识别技术，例如美国的反卫星武器研究中就用到过这项技术。笔者之前也介绍过两个受到昆虫复眼启发的创新案例：

• 德国弗劳恩霍夫研究院的科研团队受到昆虫复眼启发，研发出的一种2毫米厚度平面摄像头，它与昆虫复眼类似，可划分为135个小平面。这种微型摄像头概念也称为“小眼视觉”（facetVISION）。

• 美国斯坦福大学的科研团队仿造昆虫复眼中的“小眼面”，将微型钙钛矿太阳能电池单元组织在一起，形成一种蜂窝状结构，防止钙钛矿材料受到湿、热或者机械应力影响时性能出现退化，提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性和耐用性。

我们再举一个动物器官的例子就是：蝴蝶翅膀。

（图片来源：维基百科）

德国卡尔斯鲁厄理工学院的科研团队从红珠凤蝶翅膀上纳米结构的“孔”中汲取灵感，成功地将这些纳米结构转移应用于太阳能电池，提高太阳能电池的光线吸收率达200%。

第三个动物器官的例子是：蛾眼。

（图片来源：维基百科）

美国中佛罗里达大学（CREOL）光学和光子学院的科研团队受到蛾眼纳米结构的启发，开发出一种抗反射膜，有效地解决了屏幕反光的问题。

创新

今天，我们也要提及一种动物器官，它就是鲨鱼的“洛仑兹壶腹 ”。

（图片来源：维基百科）

该器官位于鲨鱼嘴部附近，可以感知来自猎物的微小电场。最近，美国普渡大学的科研人员模仿鲨鱼的“洛仑兹壶腹 ”，开发出一种“量子材料”，它可以在海洋环境中检测小型猎物周围的微弱电场，并有望应用于国防和海洋生物学领域。

（图片来源：Marshall Farthing / 普渡大学）

该传感器研发的领头人是普渡大学的材料工程教授 Shriram Ramanathan ，他与普渡大学博士后副研究员 Zhen Zhang 以及研究生 Derek Schwanz 组成的团队进行合作研究。

这项研究成果的相关研究论文在线发表于12月18日的《自然》杂志。论文的领导作者为Zhang 和 Schwanz。他们与美国阿贡国家实验室、罗格斯大学、国家标准技术研究所、麻省理工学院、位于萨斯喀彻温大学的加拿大光源、哥伦比亚大学、麻省大学的研究人员进行了合作开发，完整的合著者列表参见论文摘要。

（图片来源：Marshall Farthing / 普渡大学）

技术

Zhang 表示，这种器官能通过与海水发生离子交换，从而与周围环境产生交互，给予鲨鱼所谓的第六感。该器官含有一个胶状物，它可以将海水中的离子传导至位于壶腹底部特殊的膜。膜中的感知细胞使得鲨鱼能检测出猎物鱼发出的生物电场。

（图片来源： 普渡大学）

（图片来源： 普渡大学）

这种新型传感器由一种称为“镍酸钐”（samarium nickelate）的材料制成，它是一种量子材料，这意味着它利用了量子力学的互作用。镍酸钐属于一类称为“强关联电子系统”的量子材料，它具有奇特的电子和磁场特性。

这种材料不仅可保持功能稳定性，而且浸入盐水中时不会被腐蚀。这一点也是应用于海洋遥感的条件。Shriram Ramanathan 称，让人惊讶的是，这种材料也可以在寒冷的海水温度条件下正常运行。

因为这种材料可以快速传导质子，所以研究人员期望开发出模仿鲨鱼器官的材料。Ramanathan 表示，这些年来他们一直致力于这项研究。他们开发的材料检测出的电位低于1伏，大约为毫伏级，与海洋生物产生的电位相近。这种材料也非常灵敏。研究人员计算了该装置的检测距离，并且发现与鲨鱼的电感受器的检测距离相似。

量子效应使材料经历急剧的“相位改变”，从导体变为绝缘体，从而可以当作一种“灵敏的探测器”使用。这种材料也会与环境交换质量，因为质子从水中移动到材料中，然后再回到水中，来回往复。Schwanz 表示，这种材料的功能非常强大。

举例来说，一些金属例如铝，放置在海水中时会立即形成一个氧化涂层。这种反应阻止了腐蚀，但是也阻碍了它与环境的进一步反应。Ramanathan 表示，他们以氧化物材料开始，同时也能保持住它的功能性，这非常罕见。

这种材料也会改变光学特性，随着变得更加绝缘，它也会变得更加透明。如果这种材料传输光线的方式发生变化，那么你可以使用光线作为探测仪研究材料属性，这将变得非常强大。现在，你可以通过多种途径研究材料，电气和光学。

这项称为“中子反射”的技术是在NIST实施。向量子材料的晶格中添加质子会引起晶格轻微膨胀。向材料照射一束中子，会让研究人员检测到这种膨胀，判断出质子已经进入材料中。

NIST 物理学家 Joseph Dura 表示，中子对于氢非常敏感，这也让制造中子反射成为一项理想技术，判断氢从海水中进入材料，是否会引起引起膨胀和巨大的电阻变化。

在普渡大学，研究人员使用一种称为“物理气相沉积”的技术制造出这种装置。

价值

Ramanathan 表示，这项研究将有望惠及许多学科。这项技术可用于研究海洋生物和生态系统，监测军用船只的移动，以及各种商业海事应用。

未来

这种材料的测试通过浸入到模拟的海水环境中进行。这种环境覆盖了跨越地球各个海洋的非常大的温度和pH值范围。未来，研究人员计划在真实的海洋化境中进行测试，而且生物学家团队将让这项技术应用于更广泛的研究。

关键字

传感器、海水、材料

参考资料

【1】http://www.purdue.edu/newsroom/releases/2017/Q4/quantum-material-has-shark-like-ability-to-detect-small-electrical-signals.html

【2】Zhen Zhang, Derek Schwanz, Badri Narayanan, Michele Kotiuga, Joseph A. Dura, Mathew Cherukara, Hua Zhou, John W. Freeland, Jiarui Li, Ronny Sutarto, Feizhou He, Chongzhao Wu, Jiaxin Zhu, Yifei Sun, Koushik Ramadoss, Stephen S. Nonnenmann, Nanfang Yu, Riccardo Comin, Karin M. Rabe, Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan, Shriram Ramanathan. Perovskite nickelates as electric-field sensors in salt water. Nature, 2017; DOI: 10.1038/nature25008

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