26.10.2020 - Cell Press

La visión térmica de las serpientes inspira materiales piroeléctricos blandos

Convertir el calor en electricidad es una propiedad que se piensa que está reservada sólo para materiales rígidos como los cristales. Sin embargo, los investigadores -inspirados por la visión infrarroja (IR) de las serpientes- desarrollaron un modelo matemático para convertir estructuras orgánicas blandas en los llamados materiales "piroeléctricos". El estudio, que aparece el 21 de octubre en la revista Matter, demuestra que la materia blanda y flexible puede transformarse en un material piroeléctrico y potencialmente resuelve un misterio que ha estado presente durante mucho tiempo en el mecanismo de la visión infrarroja de las serpientes.

Cuando un material puede convertir el calor en un impulso eléctrico se denomina "piroeléctrico", una propiedad que normalmente sólo se encuentra en sustancias duras e inflexibles. El misterio es cómo las serpientes que detectan por infrarrojos pueden lograr esta conversión de calor en electricidad a pesar de tener una anatomía naturalmente blanda.

"La gente pensaba que podíamos explicar la detección IR de las serpientes si había un material duro y piroeléctrico en su órgano de la fosa, pero nadie lo encontró nunca", dice Pradeep Sharma, el Profesor M.D. Anderson y Presidente de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Houston. "Así que nos preguntamos si al igual que estamos tratando de hacer piroeléctricos estos materiales blandos, tal vez la naturaleza está haciendo lo mismo."

Las víboras y otras serpientes, como los extraterrestres de la serie Predator, son conocidas por su detección de calor. De hecho, la visión infrarroja de las víboras es tan aguda que "si un animal aparece en la oscuridad, incluso durante medio segundo a 40 centímetros de distancia, la víbora será capaz de detectarlo", dice Sharma.

Esta capacidad se logra mediante una estructura llamada órgano de la fosa, una cámara hueca cerca de las fosas nasales de la serpiente que contiene una membrana delgada y flexible. "El órgano de la fosa juega un papel importante en el procesamiento del calor en una señal que pueden detectar", dice Sharma. "Sin embargo, la parte que faltaba en la ecuación era cómo las células neuronales dentro de la membrana del órgano de la fosa convierten una firma de calor en electricidad para crear esa señal".

Usando la fisiología de la membrana del órgano de pozo como inspiración, Sharma y su equipo fueron capaces de construir un modelo matemático para explicar cómo esta conversión de calor en electricidad podría ser posible en un material orgánico blando. "Nuestra solución es engañosamente simple", dice Sharma. "Aparte de los elementos de diseño más avanzados, para hacer un material piroeléctrico blando todo lo que se necesita es incrustar cargas estáticas y estables en el material y asegurarse de que no se filtren. Entonces debes asegurarte de que el material es lo suficientemente blando como para que sea capaz de una gran deformación en su forma y tamaño y que tenga sensibilidad a la temperatura. Si haces eso, actuarán piroeléctricamente, y eso es lo que hemos podido probar en nuestro modelo. Y creemos que eso es exactamente lo que la naturaleza está usando porque este proceso es simple y robusto".

Los experimentos de laboratorio usando materiales blandos ya han comenzado a autentificar el modelo, aunque se necesita más investigación para confirmar si este mecanismo propuesto está teniendo lugar en las células neuronales de la membrana del órgano de la fosa de la serpiente. En trabajos anteriores se había implicado que los canales de la proteína TRPA1 situados dentro de las células neuronales de la membrana desempeñaban un papel importante; sin embargo, todavía se desconoce la relación de esos canales con el mecanismo propuesto en el documento.

"Usando este modelo, puedo crear con confianza un material blando artificial con propiedades piroeléctricas... de eso no hay duda. Y estamos bastante seguros de que hemos descubierto al menos parte de la solución de cómo estas serpientes son capaces de ver en la oscuridad, dice Sharma. "Ahora que hemos desarrollado el modelo, otros científicos pueden presentarse y comenzar a hacer los experimentos para confirmar o negar si nuestra teoría sobre la detección de serpientes por infrarrojos es correcta".

A continuación, Sharma desea continuar su investigación sobre la materia blanda, explorando cómo manipularla para generar electricidad únicamente a partir de un campo magnético. Con suficiente investigación Sharma espera inspirar el desarrollo de materiales piro, piezo y magnetoeléctricos blandos, expandiendo las posibilidades de cómo generamos electricidad.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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