Il a été démontré qu'un "matériau quantique" qui imite la capacité d'un requin à détecter les champs électriques infimes de petites proies fonctionne bien dans des conditions océaniques, avec des applications potentielles de la défense à la biologie marine.

Le matériau conserve sa stabilité fonctionnelle et ne se corrode pas après avoir été immergé dans l'eau salée, une condition préalable à la détection de l'océan. Étonnamment, il fonctionne aussi bien dans le froid, températures ambiantes typiques de l'eau de mer, dit Shriram Ramanathan, un professeur Purdue de génie des matériaux.

Une telle technologie pourrait être utilisée pour étudier les organismes et les écosystèmes océaniques et pour surveiller le mouvement des navires pour des applications maritimes militaires et commerciales.

"Donc, il a potentiellement un très large intérêt dans de nombreuses disciplines, " dit Ramanathan, qui a mené des recherches pour développer le capteur, travailler avec une équipe qui comprenait l'associé de recherche postdoctorale de Purdue Zhen Zhang et l'étudiant diplômé Derek Schwanz.

Les résultats sont détaillés dans un article de recherche publié en ligne le 18 décembre dans la revue La nature . Les auteurs principaux de l'article étaient Zhang et Schwanz, travailler avec des collègues du Laboratoire National d'Argonne, Université Rutgers, l'Institut national des normes et de la technologie, le Massachusetts Institute of Technology, la source lumineuse canadienne à l'Université de la Saskatchewan, Université de Columbia, et l'Université du Massachusetts. Une liste complète des co-auteurs est incluse dans le résumé.

Le nouveau capteur a été inspiré par un organe près de la bouche d'un requin appelé les ampoules de Lorenzini, qui est capable de détecter de petits champs électriques provenant d'animaux de proie.

"Cet organe est capable d'interagir avec son environnement en échangeant des ions de l'eau de mer, transmettre le soi-disant sixième sens aux requins, " dit Zhang.

L'organe contient une gelée qui conduit les ions de l'eau de mer vers une membrane spécialisée située au fond de l'ampoule. Les cellules de détection dans la membrane permettent au requin de détecter les champs bioélectriques émis par les poissons proies.

Le nouveau capteur est fait d'un matériau appelé nickelate de samarium, qui est un matériau quantique, ce qui signifie que ses performances puisent dans les interactions de la mécanique quantique. Le nickelate de samarium appartient à une classe de matériaux quantiques appelés systèmes électroniques fortement corrélés, qui ont des propriétés électroniques et magnétiques exotiques.

Parce que ce matériau peut conduire des protons très rapidement, les chercheurs se sont demandé s'ils pourraient développer un capteur qui imite l'organe du requin.

"Nous y travaillons depuis quelques années, " a déclaré Ramanathan. " Nous montrons que ces capteurs peuvent détecter des potentiels électriques bien en dessous d'un volt, de l'ordre du millivolt, qui est comparable aux potentiels électriques émis par les organismes marins. Le matériau est très sensible. Nous avons calculé la distance de détection de notre appareil et trouvé une échelle de longueur similaire à ce qui a été rapporté pour les électrorécepteurs chez les requins."

L'effet quantique fait subir au matériau un "changement de phase" dramatique d'un conducteur à un isolant, ce qui lui permet d'agir comme un détecteur sensible. Le matériau échange également de la masse avec l'environnement, lorsque les protons de l'eau pénètrent dans le matériau puis retournent dans l'eau, aller et venir.

"Avoir un matériau comme celui-là est très puissant, " a déclaré Schwanz.

Des métaux tels que l'aluminium, par exemple, forment immédiatement une couche d'oxyde lorsqu'ils sont placés dans l'eau de mer. La réaction protège contre la corrosion mais empêche d'autres interactions avec l'environnement.

"Ici, nous commençons par le matériau d'oxyde et nous sommes en mesure de maintenir sa fonctionnalité, ce qui est très rare, " dit Ramanathan.

Le matériau change également de propriétés optiques, devient plus transparent au fur et à mesure qu'il devient plus isolant.

"Si le matériau transmet la lumière différemment, alors vous pouvez utiliser la lumière comme sonde pour étudier la propriété du matériau et c'est très puissant. Maintenant, vous avez plusieurs façons d'étudier un matériau, électriquement et optiquement."

Le matériau a été testé en l'immergeant dans des environnements d'eau de mer simulés conçus pour couvrir les larges plages de température et de pH trouvées dans les océans de la Terre. Dans les travaux futurs, les chercheurs prévoient plutôt de tester les appareils dans de vrais océans et pourraient faire équipe avec des biologistes pour appliquer la technologie à des études plus larges.

Une technique appelée réflectométrie neutronique a été réalisée au NIST. L'ajout de protons au réseau cristallin du matériau quantique provoque un léger gonflement du réseau. L'envoi d'un faisceau de neutrons sur le matériau permet aux chercheurs de détecter ce gonflement et de déterminer que les protons se sont déplacés dans le matériau.

« Les neutrons sont très sensibles à l'hydrogène, faisant de la réflectométrie neutronique la technique idéale pour déterminer si le gonflement et l'énorme changement de résistance sont causés ou non par l'hydrogène entrant dans le matériau à partir de l'eau salée, " dit Joseph Dura, un physicien du NIST.

Les chercheurs ont fabriqué l'appareil à Purdue en utilisant une méthode appelée dépôt physique en phase vapeur.