Акулы научили физиков мерить колебания электрического поля в соленой воде

Американские физики разработали сенсоры для регистрации слабых изменений электрического поля в соленой воде на основе никелата самария. Устройство такого детектора аналогично структуре электрочувствительных органов акул, пишут ученые в статье в Nature.

Некоторые из видов хрящевых рыб, в частности, акулы и скаты, на голове имеют специальные органы чувств — ампулы Лоренцини, — которые отвечают за улавливание очень слабых изменений напряженности внешнего электрического поля. Эти ампулы представляют собой тонкие трубчатые образования диаметром не более двух миллиметров и длиной в пару сантиметров, заполненные гелеобразным веществом с полупроводниковыми свойствами, которое может обмениваться ионами водорода с морской водой. За счет изменения проводимости содержимого ампул акула чувствует, как меняется внешнее электрическое поле, что помогает ей охотиться. При этом в зависимости от длины ампулы акула может улавливать сигналы разной частоты: чем длиннее ампула, тем ниже частота колебаний электрического поля.

Коллектив физиков из США и Канады под руководством Шрирама Раманатана (Shriram Ramanathan) из Университета Пердью предложил создать аналогичный ампулам Лоренцини детектор для слабых электрических полей в соленой воде на основе никелата самария SmNiO₃. Это вещество обладает структурой перовскита и относится к классу сильно коррелированных электронных систем, электронные и магнитные свойства которых определяются сильным взаимодействием между электронами. Никелат самария устойчив в водной среде и проводит электрический ток, используя в качестве носителей заряда протоны H⁺. Протонная проводимость и зависимость сопротивления от температуры делают этот материал очень похожим по своим свойствам на гелевое вещество, находящееся внутри ампул Лоренцини. Чтобы проверить эффективность никелата самария в качестве детектора электрического поля, ученые провели измерения его сопротивления в соленой воде (с концентрацией хлорида натрия 0,1 моль на литр).

Оказалось, что действительно при наличии внешнего поля такой материал захватывает из соленой воды ионы водорода, которые за счет взаимодействий с атомами кислорода перемещаются по ионным каналам кристаллической решетки. Такая проводимость возникает даже при маленьких полях (значительно меньше одного вольта) и сильно зависит от температуры и кислотности среды, а также величины внешнего электрического поля. Так, при изменении внешнего поля на 4 вольта электронные взаимодействия приводят к тому, что сопротивление материала меняется разу на 5 порядков (от 5 миллиом на сантиметр до 500 тысяч), превращаясь из проводника в диэлектрик. Поэтому такой материал можно использовать не только как терморезистор или pH-метр, но и в качестве очень чувствительного детектора для слабых изменений поля.

Для подтверждения механизма проводимости ученые провели компьютерное моделирование исследуемого материала, с помощью которого показали, как ион водорода захватывается и перемещается по кристаллической структуре.

Кроме этого, при увеличении сопротивления меняются и оптические свойства никелата самария, и он становится прозрачным, что тоже может быть использовано при его дальнейшем применении. При этом авторы работы отмечают, что материал не подвергается разрушению и коррозии под действием морской воды и не покрывается оксидной пленкой, как металлы.

По утверждению химиков, предложенная ими технология может быть использована как для изучения морских экосистем, так и для отслеживания движения кораблей для военных или гражданских целей. В ближайшем будущем ученые планируют исследовать работу устройства непосредственно в море.

Использование электрочувствительных органов рыб в качестве прототипа для искусственных материалов — не редкость. Например, недавно ученые создали биосовместимые гибкие батарейки, состоящие из цепочек гидрогелевых частиц, по структуре аналогичные электрическому органу угря.

Александр Дубов