Les chercheurs de la Texas A&M University s'inspirent de la nature pour développer une nouvelle méthode de génération de plasma sous-marin en utilisant la crevette comme modèle, une découverte qui pourrait apporter des améliorations significatives pour des actions allant de la stérilisation de l'eau au forage.

Dr David Staack, professeur agrégé au département de génie mécanique J. Mike Walker '66, et Xin Tang, un doctorat candidat et assistant de recherche diplômé dans le département, utilisé la technologie d'impression 3D pour reproduire non seulement la forme physique d'une griffe de crevette qui craque, mais aussi le mécanisme complexe par lequel il génère du plasma.

Les recherches de l'équipe ont été publiées le 15 mars dans la revue en ligne Avancées scientifiques .

"Généralement, quand on regarde la nature, la pression évolutive fait en sorte que la nature soit très efficace pour faire les choses, " a déclaré Staack. " Je trouve intéressant que la crevette ait fait des ondes de choc intenses, la chimie du plasma et la synthèse de nanoparticules depuis des millions d'années."

Lorsque la crevette craquante, également connue sous le nom de crevette pistolet, casse sa griffe, il projette un jet d'eau assez rapide pour générer une bulle qui, quand il s'effondre, crée un grand bruit et émet de la lumière. Les pressions et températures élevées produites dans ce processus conduisent à la formation de plasma.

Le projet, dirigé par Staack, a commencé il y a plus de quatre ans en tant que ramification d'un projet financé par la National Science Foundation (NSF) sur le plasma de décharge électrique dans les liquides. En comparant le processus de génération de plasma des crevettes cassantes à leur processus de plasma électrique, les chercheurs sont devenus curieux de savoir s'ils pouvaient trouver un moyen de mesurer et de reproduire ses propriétés.

Les chercheurs ont entrepris d'imiter la mécanique de la griffe de la crevette avec le soutien initial de la NSF, étudier attentivement comment la créature marine crée une bulle de cavitation qui génère du plasma à plus de 3, 000 degrés Fahrenheit.

« Dans notre journal, nous rapportons la première imagerie directe de l'émission lumineuse induite par la même méthode que la crevette utilise :l'énergie générée mécaniquement se concentrant sur une cavitation effondrée et la propagation d'onde de choc suivante, " Staack a déclaré. " La conception mécanique bio-inspirée nous a permis de réaliser des expériences répétitives et cohérentes sur la génération de plasma et d'indiquer une augmentation significative de l'efficacité de conversion par rapport au son, cavitation induite par laser et électrique."

Staack a déclaré que l'utilisation de l'impression 3D a joué un rôle déterminant dans la progression de ce projet, permettant aux chercheurs de créer un modèle à grande échelle de la griffe de la crevette craquante d'une manière qui était impossible il y a quelques années à peine.

Les tentatives précédentes pour reproduire le comportement de la crevette se sont concentrées sur la géométrie bidimensionnelle de la crevette, manquant finalement certains des processus 3-D complexes que la nouvelle technologie a permis aux chercheurs de recréer le mécanisme avec succès.

Staack et Tang ont créé un modèle 3D d'une coquille de griffe muée d'une crevette cinq fois plus grande qu'elle n'y paraît dans la nature. Pour alimenter le mécanisme sans l'aide des muscles de la crevette, les chercheurs ont mis en place un système de ressort semblable à une souricière.

Dans la nature, les crevettes utilisent la bulle de cavitation comme une arme pour générer des chocs et étourdir leurs proies. Une version agrandie du mécanisme de la crevette pourrait être utilisée pour un large éventail de disciplines, y compris la chimie analytique, physique et traitement des matériaux.

"Les crevettes utilisent les systèmes comme une arme et c'est certainement une application, " a déclaré Staack. " La pression et les chocs peuvent étourdir les petits poissons ou briser un calcul rénal. La cavitation et la dynamique peuvent être utilisées pour modifier l'écoulement de la couche limite et réduire la traînée d'un bateau. D'autres applications tirent parti de la chimie de l'état du plasma. Les nanoparticules peuvent être synthétisées avec des phases exotiques en raison des conditions extrêmes lors de la synthèse. L'eau peut être stérilisée. Le pétrole peut être amélioré."

S'inspirant des capacités plasma et ondes de choc de la crevette claquante, Staack travaille avec une équipe de collègues du département de génie mécanique sur un projet dérivé visant à faire progresser la technologie de forage utilisée pour créer des puits géothermiques qui puisent dans la chaleur naturelle de la Terre. En permettant aux électrodes sur la pointe d'un foret d'émettre une décharge de plasma microscopique, la technologie aidera à percer la roche dure et à rationaliser le processus de forage.

Avancer, Staack a déclaré que certains des objectifs des recherches futures incluent la détermination de la température du plasma généré, découvrir à quel point ils peuvent faire évoluer le mécanisme et tester certaines applications potentielles.

Ils travaillent également à affiner la version la plus efficace du mécanisme, enlever les parties du modèle de griffe qui ne servent pas à la création de plasma.

"Ce que nous avons appris de cela, c'est que nous n'avons pas besoin de toute cette biologie de la crevette, " a déclaré Staack. " Nous avons besoin du petit piston arrière et nous avons besoin du canal, mais nous n'avons pas besoin de la partie que la crevette utilise pour frapper. Il y a des choses qui ont évolué pour différentes raisons. Certaines des choses que nous faisons maintenant sont de déterminer quelle est la version distillée de ce mécanisme. »