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由日本理化學研究所新興物質科學中心的科學家領導的一個研究小組開發了一種獨特的材料，該材料基于嵌入水凝膠中的納米填料，可以在一個方向上引導機械能，但不能在另一個方向上傳遞機械能，以“不可逆”的方式發揮作用。
使用這種可以制成各種尺寸的復合材料，該團隊能夠利用振動、上下運動，使液滴在材料內上升。 因此，使用這種材料可以有效地利用隨機振動來沿優選方向移動物質。
將能量引導到首選方向是一個重要的特性，它實際上使生命成為可能。 許多基本的生物功能，如光合作用和細胞呼吸，都是通過以不可逆的方式引導自然界的隨機波動來實現的，以驅使系統遠離熵，就像著名的麥克斯韋妖（物理學中假想的妖，能探測并控制單個分子的運動，于1871年由英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋為了說明違反熱力學第二定律的可能性而設想的）一樣，允許能量優先移動的設備被用于許多領域，例如電力，它們允許將交流電轉換為直流電，以及光子學、磁學和聲音。 然而，事實證明，制造傳輸機械能的設備更加困難，而機械能也有許多潛在用途。
用于沿優選方向引導機械能的水凝膠。 圖片來源：RIKEN
現在，RIKEN 領導的團隊已經開發出一種卓越但均勻的材料，這種材料相對容易生產，并且可以執行此功能。 為了制造它，該小組使用了水凝膠（一種主要由水制成的軟材料），由聚丙烯酰胺網絡制成，并以一定角度將氧化石墨烯納米填料嵌入其中。 水凝膠固定在地板上，因此頂部在受到剪切力時可以移動，但底部不能移動。 并且填充物以一定角度設置，使得它們從上到下順時針傾斜。
當從納米填料傾斜的方向向左施加剪切力時，它們往往會彎曲并因此失去抵抗力。 但在另一個方向，即它們背對力的方向，所施加的剪切力只會使它們拉伸得更長，并且它們會保持強度。 這使得片材可以在一個方向上變形，而在另一個方向上則不會變形，事實上，該小組測量了這種差異，發現該材料在一個方向上的阻力大約是另一個方向的 60 倍。
水凝膠在水滴反重力傳輸中的應用。 圖片來源：RIKEN
作為一個實驗來證明這實際上可以做什么，他們創建了一塊材料并將其放在振動臺上。 根據設計和定向的方式，材料能夠穿過材料，使液滴向右或向左移動，甚至向上穿過網絡，但不能向下移動。 他們還可以利用振動運動來驅動可以控制為順時針或逆時針方向的圓周運動。 在垂直方向的情況下，當將有色液體滴注入水凝膠中時，它們會像魔法一樣向上移動，同時交替的振動運動（通常沒有任何用處）被引導以產生凈運動。
最后，作為進一步的測試，該小組與 RIKEN Hakubi Fellows 項目的研究人員合作，將秀麗隱桿線蟲放在材料上，盡管它們的運動通常是隨機的，但它們最終都移動到了材料的一側或另一側。
領導這項工作的理化學研究所突發物質科學中心的 Yasuhiro Ishida 表示：“這是一個了不起且令人驚訝的結果，看到機械能如何以如此清晰的方式優選地在一個方向上傳導，并使用一種 相當容易制作并且非常可擴展。 未來，我們計劃尋找這種材料的應用，希望能夠利用它來有效利用迄今為止一直被視為浪費的振動能。”
