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导读
最近，美国普渡大学的科研人员模仿鲨鱼的“洛仑兹壶腹”，开发出一种“量子材料”，它可以在海洋环境中检测小型猎物周围的微弱电场，并有望应用于国防和海洋生物学领域。
背景
大自然赋予科研创新各种灵感，这种例子比比皆是，笔者之前也多次介绍有关仿生学的创新成果。有些创新设计灵感是来源于生物的器官，例如：昆虫复眼。
（图片来源：维基百科）复眼技术作为一项仿生学技术，已应用于运动目标监控等多个领域，其中包括自动目标识别技术，例如美国的反卫星武器研究中就用到过这项技术。笔者之前也介绍过两个受到昆虫复眼启发的创新案例：
德国弗劳恩霍夫研究院的科研团队受到昆虫复眼启发，研发出的一种2毫米厚度平面摄像头，它与昆虫复眼类似，可划分为个小平面。这种微型摄像头概念也称为“小眼视觉”（facetVISION）。
美国斯坦福大学的科研团队仿造昆虫复眼中的“小眼面”，将微型钙钛矿太阳能电池单元组织在一起，形成一种蜂窝状结构，防止钙钛矿材料受到湿、热或者机械应力影响时性能出现退化，提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性和耐用性。
我们再举一个动物器官的例子就是：蝴蝶翅膀。
（图片来源：维基百科）德国卡尔斯鲁厄理工学院的科研团队从红珠凤蝶翅膀上纳米结构的“孔”中汲取灵感，成功地将这些纳米结构转移应用于太阳能电池，提高太阳能电池的光线吸收率达%。
第三个动物器官的例子是：蛾眼。
（图片来源：维基百科）美国中佛罗里达大学（CREOL）光学和光子学院的科研团队受到蛾眼纳米结构的启发，开发出一种抗反射膜，有效地解决了屏幕反光的问题。
创新
今天，我们也要提及一种动物器官，它就是鲨鱼的“洛仑兹壶腹”。
（图片来源：维基百科）该器官位于鲨鱼嘴部附近，可以感知来自猎物的微小电场。最近，美国普渡大学的科研人员模仿鲨鱼的“洛仑兹壶腹”，开发出一种“量子材料”，它可以在海洋环境中检测小型猎物周围的微弱电场，并有望应用于国防和海洋生物学领域。
（图片来源：MarshallFarthing/普渡大学）
该传感器研发的领头人是普渡大学的材料工程教授ShriramRamanathan，他与普渡大学博士后副研究员ZhenZhang以及研究生DerekSchwanz组成的团队进行合作研究。
这项研究成果的相关研究论文在线发表于12月18日的《自然》杂志。论文的领导作者为Zhang和Schwanz。他们与美国阿贡国家实验室、罗格斯大学、国家标准技术研究所、麻省理工学院、位于萨斯喀彻温大学的加拿大光源、哥伦比亚大学、麻省大学的研究人员进行了合作开发，完整的合著者列表参见论文摘要。
（图片来源：MarshallFarthing/普渡大学）
技术
Zhang表示，这种器官能通过与海水发生离子交换，从而与周围环境产生交互，给予鲨鱼所谓的第六感。该器官含有一个胶状物，它可以将海水中的离子传导至位于壶腹底部特殊的膜。膜中的感知细胞使得鲨鱼能检测出猎物鱼发出的生物电场。
（图片来源：普渡大学）（图片来源：普渡大学）这种新型传感器由一种称为“镍酸钐”（samariumnickelate）的材料制成，它是一种量子材料，这意味着它利用了量子力学的互作用。镍酸钐属于一类称为“强关联电子系统”的量子材料，它具有奇特的电子和磁场特性。
这种材料不仅可保持功能稳定性，而且浸入盐水中时不会被腐蚀。这一点也是应用于海洋遥感的条件。ShriramRamanathan称，让人惊讶的是，这种材料也可以在寒冷的海水温度条件下正常运行。
因为这种材料可以快速传导质子，所以研究人员期望开发出模仿鲨鱼器官的材料。Ramanathan表示，这些年来他们一直致力于这项研究。他们开发的材料检测出的电位低于1伏，大约为毫伏级，与海洋生物产生的电位相近。这种材料也非常灵敏。研究人员计算了该装置的检测距离，并且发现与鲨鱼的电感受器的检测距离相似。
量子效应使材料经历急剧的“相位改变”，从导体变为绝缘体，从而可以当作一种“灵敏的探测器”使用。这种材料也会与环境交换质量，因为质子从水中移动到材料中，然后再回到水中，来回往复。Schwanz表示，这种材料的功能非常强大。
举例来说，一些金属例如铝，放置在海水中时会立即形成一个氧化涂层。这种反应阻止了腐蚀，但是也阻碍了它与环境的进一步反应。Ramanathan表示，他们以氧化物材料开始，同时也能保持住它的功能性，这非常罕见。
这种材料也会改变光学特性，随着变得更加绝缘，它也会变得更加透明。如果这种材料传输光线的方式发生变化，那么你可以使用光线作为探测仪研究材料属性，这将变得非常强大。现在，你可以通过多种途径研究材料，电气和光学。
这项称为“中子反射”的技术是在NIST实施。向量子材料的晶格中添加质子会引起晶格轻微膨胀。向材料照射一束中子，会让研究人员检测到这种膨胀，判断出质子已经进入材料中。
NIST物理学家JosephDura表示，中子对于氢非常敏感，这也让制造中子反射成为一项理想技术，判断氢从海水中进入材料，是否会引起引起膨胀和巨大的电阻变化。
在普渡大学，研究人员使用一种称为“物理气相沉积”的技术制造出这种装置。
价值
Ramanathan表示，这项研究将有望惠及许多学科。这项技术可用于研究海洋生物和生态系统，监测军用船只的移动，以及各种商业海事应用。
未来
这种材料的测试通过浸入到模拟的海水环境中进行。这种环境覆盖了跨越地球各个海洋的非常大的温度和pH值范围。未来，研究人员计划在真实的海洋化境中进行测试，而且生物学家团队将让这项技术应用于更广泛的研究。
关键字
传感器、海水、材料
参考资料
