Współpraca kierowana przez Cornell wykorzystała reakcje chemiczne, aby maszyny origami w mikroskali same się składały – uwalniając je od płynów, w których zwykle działają, dzięki czemu mogą działać w suchym środowisku i temperaturze pokojowej.
Podejście to może pewnego dnia doprowadzić do stworzenia nowej floty maleńkich autonomicznych urządzeń, które mogą szybko reagować na środowisko chemiczne.
Artykuł grupy „Mikroaktywacja w fazie gazowej przy użyciu kontrolowanych kinetycznie stanów powierzchniowych ultracienkich arkuszy katalitycznych” został opublikowany 1 maja w Proceedings of the National Academy of Sciences. Współprowadzącymi autorami artykułu są dr Nanqi Bao. ’22, oraz były pracownik naukowy ze stopniem doktora Qingkun Liu, Ph.D. ’22.
Projektem kierował starszy autor Nicholas Abbott, profesor Uniwersytetu Tisch w Szkole Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej im. Roberta F. Smitha w Cornell Engineering, wraz z Itai Cohenem, profesorem fizyki i Paulem McEuenem, profesorem John A. Newman Nauki fizyczne, zarówno w College of Arts and Sciences; oraz David Muller, Samuel B. Eckert Professor of Engineering in Cornell Engineering.
„Istnieją całkiem dobre technologie przenoszenia energii elektrycznej na mechaniczną, takie jak silnik elektryczny, a grupy McEuen i Cohen pokazały strategię robienia tego w mikroskali za pomocą swoich robotów” – powiedział Abbott. „Ale jeśli szukasz bezpośrednich transdukcji chemicznych do mechanicznych, w rzeczywistości jest bardzo niewiele opcji”.
Wcześniejsze wysiłki opierały się na reakcjach chemicznych, które mogły zachodzić tylko w ekstremalnych warunkach, takich jak wysokie temperatury rzędu kilku 100 stopni Celsjusza, a reakcje te były często żmudnie powolne – czasem nawet 10 minut – przez co podejście to było niepraktyczne w codziennych zastosowaniach technologicznych. .
Jednak grupa Abbotta znalazła swego rodzaju lukę podczas przeglądania danych z eksperymentu z katalizą: niewielka część ścieżki reakcji chemicznej zawierała zarówno wolne, jak i szybkie etapy.
„Jeśli spojrzysz na reakcję aktuatora chemicznego, to nie chodzi o to, że przechodzi on z jednego stanu bezpośrednio do drugiego. W rzeczywistości przechodzi on przez wycieczkę do stanu wygiętego, krzywizny, która jest bardziej ekstremalna niż którykolwiek z dwóch końców stanach” – powiedział Abbott. „Jeśli rozumiesz podstawowe etapy reakcji na ścieżce katalitycznej, możesz wejść i chirurgicznie wyodrębnić szybkie kroki. Możesz obsługiwać swój chemiczny siłownik wokół tych szybkich kroków i po prostu zignorować resztę”.
Naukowcy potrzebowali odpowiedniej platformy materiałowej, aby wykorzystać ten szybki moment kinetyczny, więc zwrócili się do McEuena i Cohena, którzy pracowali z Mullerem nad opracowaniem ultracienkich arkuszy platyny pokrytych tytanem.
Grupa współpracowała również z teoretykami, kierowanymi przez profesora Manosa Mavrikakisa z University of Wisconsin w Madison, który wykorzystał obliczenia struktury elektronowej do przeanalizowania reakcji chemicznej zachodzącej, gdy wodór – adsorbowany na materiale – jest wystawiony na działanie tlenu.
Naukowcy byli wtedy w stanie wykorzystać decydujący moment, w którym tlen szybko pozbawia wodór, powodując odkształcenie i wygięcie atomowo cienkiego materiału, jak zawias.
System uruchamia się z szybkością 600 milisekund na cykl i może działać w temperaturze 20 stopni Celsjusza, czyli w temperaturze pokojowej, w suchym środowisku.
“Wynik jest dość uogólniony” – powiedział Abbott. „Istnieje wiele reakcji katalitycznych, które zostały opracowane w oparciu o różnego rodzaju gatunki. Tak więc tlenek węgla, tlenki azotu, amoniak: wszystkie one nadają się do wykorzystania jako paliwa do siłowników napędzanych chemicznie”.
Zespół przewiduje zastosowanie tej techniki do innych metali katalitycznych, takich jak pallad i stopy palladu ze złotem. Ostatecznie praca ta może doprowadzić do autonomicznych systemów materiałowych, w których obwody sterujące i obliczenia pokładowe są obsługiwane przez reakcję materiału – na przykład autonomiczny system chemiczny, który reguluje przepływy w oparciu o skład chemiczny.
„Jesteśmy naprawdę podekscytowani, ponieważ ta praca toruje drogę do maszyn origami w mikroskali, które działają w środowiskach gazowych” – powiedział Cohen.
Współautorami są badacz ze stopniem doktora Michael Reynolds, MS ’17, Ph.D. ’21; doktorant Wei Wang; Michael Cao ’14; i naukowcy z University of Wisconsin w Madison.
Badania były wspierane przez Cornell Center for Materials Research, które jest wspierane przez program MRSEC National Science Foundation, Army Research Office, NSF, Air Force Office of Scientific Research oraz Kavli Institute w Cornell for Nano Science.
Naukowcy wykorzystali Cornell NanoScale Facility, członka National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, wspieranego przez NSF; oraz zasoby National Energy Research Scientific Computing Centre (NERSC), które są wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.
Projekt jest częścią programu Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano), którego celem jest przesunięcie nauki w nanoskali i inżynierii mikrosystemów na wyższy poziom projektowania, funkcji i integracji.