水滴的反重力传输：理化学研究所研发的新材料可沿首选方向引导机械能

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由日本理化学研究所新兴物质科学中心的科学家领导的一个研究小组开发了一种独特的材料，该材料基于嵌入水凝胶中的纳米填料，可以在一个方向上引导机械能，但不能在另一个方向上传递机械能，以“不可逆”的方式发挥作用。

使用这种可以制成各种尺寸的复合材料，该团队能够利用振动、上下运动，使液滴在材料内上升。 因此，使用这种材料可以有效地利用随机振动来沿优选方向移动物质。

将能量引导到首选方向是一个重要的特性，它实际上使生命成为可能。 许多基本的生物功能，如光合作用和细胞呼吸，都是通过以不可逆的方式引导自然界的随机波动来实现的，以驱使系统远离熵，就像著名的麦克斯韦妖（物理学中假想的妖，能探测并控制单个分子的运动，于1871年由英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的）一样，允许能量优先移动的设备被用于许多领域，例如电力，它们允许将交流电转换为直流电，以及光子学、磁学和声音。 然而，事实证明，制造传输机械能的设备更加困难，而机械能也有许多潜在用途。

用于沿优选方向引导机械能的水凝胶。 图片来源：RIKEN

现在，RIKEN 领导的团队已经开发出一种卓越但均匀的材料，这种材料相对容易生产，并且可以执行此功能。 为了制造它，该小组使用了水凝胶（一种主要由水制成的软材料），由聚丙烯酰胺网络制成，并以一定角度将氧化石墨烯纳米填料嵌入其中。 水凝胶固定在地板上，因此顶部在受到剪切力时可以移动，但底部不能移动。 并且填充物以一定角度设置，使得它们从上到下顺时针倾斜。

当从纳米填料倾斜的方向向左施加剪切力时，它们往往会弯曲并因此失去抵抗力。 但在另一个方向，即它们背对力的方向，所施加的剪切力只会使它们拉伸得更长，并且它们会保持强度。 这使得片材可以在一个方向上变形，而在另一个方向上则不会变形，事实上，该小组测量了这种差异，发现该材料在一个方向上的阻力大约是另一个方向的 60 倍。

水凝胶在水滴反重力传输中的应用。 图片来源：RIKEN

作为一个实验来证明这实际上可以做什么，他们创建了一块材料并将其放在振动台上。 根据设计和定向的方式，材料能够穿过材料，使液滴向右或向左移动，甚至向上穿过网络，但不能向下移动。 他们还可以利用振动运动来驱动可以控制为顺时针或逆时针方向的圆周运动。 在垂直方向的情况下，当将有色液体滴注入水凝胶中时，它们会像魔法一样向上移动，同时交替的振动运动（通常没有任何用处）被引导以产生净运动。

最后，作为进一步的测试，该小组与 RIKEN Hakubi Fellows 项目的研究人员合作，将秀丽隐杆线虫放在材料上，尽管它们的运动通常是随机的，但它们最终都移动到了材料的一侧或另一侧。

领导这项工作的理化学研究所突发物质科学中心的 Yasuhiro Ishida 表示：“这是一个了不起且令人惊讶的结果，看到机械能如何以如此清晰的方式优选地在一个方向上传导，并使用一种 相当容易制作并且非常可扩展。 未来，我们计划寻找这种材料的应用，希望能够利用它来有效利用迄今为止一直被视为浪费的振动能。”

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