Una collaborazione guidata da Cornell ha sfruttato le reazioni chimiche per produrre microscala macchine origami self-fold – liberandoli dai liquidi in cui solitamente funzionano in modo che possano operare in ambienti asciutti ea temperatura ambiente.
L’approccio potrebbe un giorno creare una nuova flotta di minuscoli dispositivi autonomi in grado di rispondere rapidamente al loro ambiente chimico.
Un’immagine SEM mostra una microstruttura di tetraedri di origami che si è piegata da sola dopo l’esposizione all’idrogeno. Credito immagine: Cornell University
Il giornale del gruppo, “Microattuazione in fase gassosa utilizzando stati superficiali controllati cineticamente di fogli catalitici ultrasottili”, è stato pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences. Gli autori principali del documento sono Nanqi Bao, Ph.D. ’22, ed ex ricercatore post-dottorato Qingkun Liu, Ph.D. ’22.
Il progetto è stato guidato dall’autore senior Nicola Abateprofessore alla Tisch University presso la Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering presso la Cornell Engineering, insieme a Itai Cohenprofessore di fisica, e Paolo McEuen, John A. Newman Professor of Physical Science, entrambi al College of Arts and Sciences; E David MüllerSamuel B. Eckert Professore di Ingegneria presso la Cornell Engineering.
“Esistono tecnologie di trasduzione dell’energia elettrica e meccanica abbastanza buone, come il motore elettrico. I gruppi McEuen e Cohen hanno mostrato una strategia per farlo su microscala, con i loro robot”, ha detto Abbott. “Ma se cerchi trasduzioni chimiche dirette a meccaniche, ci sono pochissime opzioni.”
Gli sforzi precedenti dipendevano da reazioni chimiche che potevano verificarsi solo in condizioni estreme, ad esempio a temperature elevate di diversi 100 gradi Celsius. Le reazioni erano spesso noiosamente lente, a volte fino a 10 minuti, rendendo l’approccio poco pratico per le applicazioni tecnologiche quotidiane.
Tuttavia, il gruppo di Abbott ha trovato una sorta di scappatoia mentre esaminava i dati di un esperimento di catalisi: una piccola sezione del percorso della reazione chimica conteneva fasi sia lente che veloci.
“Se guardi alla risposta dell’attuatore chimico, non è che passa direttamente da uno stato all’altro. In realtà passa attraverso un’escursione in uno stato piegato, una curvatura, che è più estrema di uno dei due stati finali”, ha detto Abbott.
“Se comprendi i passaggi di reazione elementari in un percorso catalitico, puoi entrare ed estrarre chirurgicamente i passaggi rapidi. Puoi azionare il tuo attuatore chimico attorno a quei passaggi rapidi e ignorare semplicemente il resto.
I ricercatori avevano bisogno della giusta piattaforma materiale per sfruttare quel rapido momento cinetico, quindi si sono rivolti a McEuen e Cohen, che avevano lavorato con Muller per sviluppare lastre di platino ultrasottili ricoperte di titanio.
Il gruppo ha anche collaborato con teorici, guidati dal professor Manos Mavrikakis dell’Università del Wisconsin, Madison, che ha utilizzato i calcoli della struttura elettronica per analizzare la reazione chimica che si verifica quando l’idrogeno, assorbito dal materiale, è esposto all’ossigeno.
I ricercatori sono stati quindi in grado di sfruttare il momento cruciale in cui l’ossigeno strappa rapidamente l’idrogeno, provocando la deformazione e la piegatura del materiale atomicamente sottile, come una cerniera.
Il sistema si attiva a 600 millisecondi per ciclo e può funzionare a 20 gradi Celsius, ovvero a temperatura ambiente, in ambienti asciutti.
“Il risultato è abbastanza generalizzabile”, ha detto Abbott. “Ci sono molte reazioni catalitiche che sono state sviluppate sulla base di tutti i tipi di specie. Quindi monossido di carbonio, ossidi di azoto, ammoniaca: sono tutti candidati da utilizzare come combustibili per attuatori guidati chimicamente.
Il team prevede di applicare la tecnica ad altri metalli catalitici, come il palladio e le leghe d’oro al palladio. Alla fine questo lavoro potrebbe portare a sistemi materiali autonomi in cui i circuiti di controllo e il calcolo integrato sono gestiti dalla risposta del materiale, ad esempio un sistema chimico autonomo che regola i flussi in base alla composizione chimica.
“Siamo davvero entusiasti perché questo lavoro apre la strada a macchine origami in microscala che funzionano in ambienti gassosi”, ha affermato Cohen.
Fonte: Università Cornell
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
