Víboras, pítons e jibóias, todas usam a visão infravermelha para localizar suas presas, mas a origem exata desse sexto sentido escorregadio é desconhecida. Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Houston, nos Estados Unidos, desenvolveu agora um modelo matemático de como as células de um órgão especializado em cobra convertem a radiação infravermelha em sinais elétricos.
Além de potencialmente resolver um quebra-cabeça de longa data na biologia de cobras, o trabalho também pode ajudar no desenvolvimento de transdutores termoelétricos baseados em estruturas macias e flexíveis em vez de cristais rígidos.
Certas espécies de cobra podem gerar imagens térmicas perturbadoramente precisas de objetos que são mais quentes do que seus arredores. As víboras venenosas, por exemplo, podem detectar luz infravermelha (IR) em comprimentos de onda entre 50 nm e 1 mm, o que se traduz em uma faixa de frequência de 1,8 THz a 2,5 PHz. Essa capacidade de detecção de calor permite que eles caçam presas de sangue quente, como pássaros e roedores, mesmo na escuridão total, e os cientistas acreditam que ela deriva de uma estrutura em suas cabeças que atua como uma “antena” para radiação infravermelha. A estrutura, conhecida como órgão de fossas, é uma câmara oca com cerca de 10 a 15 mm de espessura, envolta em uma fina membrana com uma área superficial de cerca de 30 mm2.
Uma possibilidade piroelétrica
Apesar de extensos estudos, o mecanismo preciso pelo qual o órgão converte a radiação infravermelha em sinais elétricos processáveis permanece controverso, observa o líder da equipe Pradeep Sharma. Ele e seus colegas agora construíram um modelo matemático para testar a teoria de que as células dentro da membrana do órgão da fossa são piroelétricas – isto é, capazes de gerar uma voltagem temporária quando aquecidas ou resfriadas.
Essa ideia é um tanto controversa, uma vez que se pensava que a piroeletricidade se limitava a materiais rígidos, como cristais. Esses materiais são naturalmente polarizados eletricamente e, portanto, contêm grandes campos elétricos. Quando eles mudam de temperatura, a posição de seus átomos também muda ligeiramente. Essa mudança de posição altera sua polarização, que por sua vez produz uma voltagem temporária no material. Se a temperatura permanecer constante em seu novo valor, a tensão piroelétrica se dissipa lentamente devido à corrente de fuga.
Para mostrar que células de cobra também podem atuar como materiais piroelétricos, os pesquisadores usaram métodos da mecânica contínua da matéria mole para acoplar campos elétricos e deformação de expansão térmica. Eles também consideraram as propriedades do material, como o módulo de elasticidade e os coeficientes de expansão térmica das células. Usando essas entradas, os pesquisadores calcularam que, com base nas respostas piroelétricas de suas células de órgãos de fossas, jibóias e víboras deveriam ser capazes de detectar diferenças de temperatura no nível de milikelvin. Isso é melhor do que qualquer sensor de calor feito pelo homem e, de acordo com Sharma, implica que as cobras podem sentir a presença de um animal que está apenas 10 graus mais quente do que seu ambiente, mesmo que apareça por apenas meio segundo por vez distância de 40 centímetros de distância.
Cálculos semelhantes para cascavéis e pítons indicam que podem realizar o mesmo feito a 100 cm e 30 cm, respectivamente. Todos os três resultados concordam qualitativamente com as medições fisiológicas, diz Sharma.
Aplicações a materiais sintéticos
O novo trabalho mostra que estruturas macias e flexíveis podem de fato exibir piroeletricidade. Tais estruturas, explica Sharma, contêm cargas elétricas estáveis e estáticas incorporadas que não vazam. Eles também podem se deformar em forma e tamanho e são sensíveis à temperatura.
Os pesquisadores agora estão realizando experimentos preliminares em materiais sintéticos macios que se assemelham ao órgão de uma cobra. Os resultados desses experimentos podem confirmar o novo modelo, dizem eles, embora mais pesquisas ainda sejam necessárias para provar que o mecanismo proposto está de fato ocorrendo nas células das cobras. Estudos biológicos anteriores sugeriram que os canais de proteína conhecidos como TRPA1 estavam envolvidos, mas ainda não está claro como esses canais podem se relacionar com o novo modelo.
“Usando este modelo, posso criar com segurança um material macio artificial com propriedades piroelétricas – disso não há dúvida”, diz Sharma. “E estamos bastante confiantes de que descobrimos pelo menos parte da solução de como essas cobras são capazes de ver no escuro.” Agora que desenvolveram o modelo, ele acrescenta, outros cientistas podem fazer experimentos para confirmar ou refutar sua teoria sobre as habilidades de detecção de infravermelho das cobras.
Os pesquisadores, que relatam seu trabalho na Matter, dizem que agora planejam fabricar materiais macios sob medida que são altamente piroelétricos, ao mesmo tempo que demonstram o efeito eletrocalórico (inverso). “Aqui, a aplicação de um campo elétrico pode reduzir a temperatura e, assim, fornecer uma espécie de resfriamento”, disse Sharma ao Physics World. “Esse efeito só foi demonstrado de forma apreciável em materiais duros até agora.”
Publicado em 06/11/2020 15h10
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