Une illustration d'une membrane 2D soumise à un rayonnement thermique et au changement de champ électrique qui en résulte sur son épaisseur. Crédit :Darbaniyan et al. /Question
La conversion de la chaleur en électricité est une propriété que l'on pense réservée uniquement aux matériaux rigides comme les cristaux. Cependant, les chercheurs, inspirés par la vision infrarouge (IR) des serpents, ont développé un modèle mathématique pour convertir structures organiques en matériaux dits « pyroélectriques ». L'étude, paru le 21 octobre dans le journal Question , prouve que la matière molle et flexible peut être transformée en un matériau pyroélectrique et résout potentiellement un mystère de longue date entourant le mécanisme de la vision IR chez les serpents.
Lorsqu'un matériau peut convertir la chaleur en une impulsion électrique, il est appelé "pyroélectrique, " une propriété que l'on ne trouve généralement que dans les disques durs, substances inflexibles. Le mystère est de savoir comment les serpents à détection infrarouge peuvent réaliser cette conversion chaleur-électricité malgré leur anatomie naturellement douce.
"Les gens pensaient que nous pourrions expliquer la détection infrarouge des serpents s'il y avait un disque dur, matériau pyroélectrique dans leur orgue à fosse, mais personne n'en a jamais trouvé, " dit Pradeep Sharma, le professeur M.D. Anderson et titulaire de la chaire de génie mécanique à l'Université de Houston. "Donc, nous nous sommes demandé si, tout comme nous essayons de rendre ces matériaux mous pyroélectriques, peut-être que la nature fait la même chose."
Vipères des fosses et autres serpents, comme les extraterrestres de la série Predator, sont bien connus pour leur détection de la chaleur. En réalité, la vision IR des vipères est si intensément sensible que "si un animal apparaît dans l'obscurité totale, même pendant une demi-seconde à 40 centimètres, la vipère des fosses pourra le détecter, " dit Sharma.
Cette capacité est obtenue par une structure appelée organe à fosse - une chambre creuse près des narines du serpent contenant un mince, membrane souple. "L'orgue à fosse joue un rôle important dans le traitement de la chaleur en un signal qu'ils peuvent détecter, " dit Sharma. " Cependant, la partie manquante de l'équation était de savoir comment les cellules neuronales à l'intérieur de la membrane de l'organe de la fosse convertissent une signature thermique en électricité pour créer ce signal. »
Une vipère avec une image schématique d'une image infrarouge d'une proie formée dans son cerveau. Crédit :Darbaniyan et al. /Question
En s'inspirant de la physiologie de la membrane de l'organe à fosse, Sharma et son équipe ont pu construire un modèle mathématique pour expliquer comment cette conversion de la chaleur en électricité pourrait être possible dans un matériau organique mou. "Notre solution est d'une simplicité trompeuse, " dit Sharma. " Outre des éléments de conception plus avancés, pour fabriquer un matériau pyroélectrique souple, il suffit d'enfouir de la statique, charges stables dans le matériau et assurez-vous qu'elles ne fuient pas. Ensuite, vous devez vous assurer que le matériau est suffisamment souple pour qu'il soit capable de grandes déformations de forme et de taille et qu'il soit sensible à la température. Si vous faites cela, ils agiront pyroélectriques, et c'est ce que nous avons pu prouver dans notre modèle. Et nous pensons que c'est exactement ce que la nature utilise, car ce processus est simple et robuste."
Orgue à fosse d'un serpent à sonnettes. Crédit :Darbaniyan et al. /Question
Des expériences en laboratoire utilisant des matériaux souples ont déjà commencé pour authentifier le modèle, bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires pour confirmer si ce mécanisme proposé se déroule dans les cellules neuronales de la membrane de l'organe à fosse du serpent. Des travaux antérieurs avaient impliqué les canaux protéiques TRPA1 situés dans les cellules neuronales de la membrane comme jouant un rôle important; cependant, la relation entre ces canaux et le mécanisme proposé dans l'article est encore inconnue.
"En utilisant ce modèle, Je peux créer en toute confiance un matériau souple artificiel doté de propriétés pyroélectriques, cela ne fait aucun doute. Et nous sommes assez confiants que nous avons découvert au moins une partie de la solution de la façon dont ces serpents sont capables de voir dans l'obscurité, dit Sharma. "Maintenant que nous avons développé le modèle, d'autres scientifiques peuvent se manifester et commencer à faire des expériences pour confirmer ou infirmer si notre théorie sur la détection infrarouge des serpents est correcte."
Prochain, Sharma souhaite poursuivre ses recherches sur la matière molle, explorer comment les manipuler pour générer de l'électricité uniquement à partir d'un champ magnétique. Avec suffisamment de recherche, Sharma espère inspirer le développement de la pyro, piézo, et matériaux souples magnétoélectriques, élargir les possibilités de production d'électricité.
