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Des ingénieurs découvrent l'entrelacement spontané de feuilles de polymère 2D dans des spirales "dansantes" 3D auto-rotatives


La spirale est omniprésente dans tout l’univers – de la furthermore petite molécule d’ADN aux fougères et aux tournesols, et des empreintes digitales aux galaxies elles-mêmes. En science, l’omniprésence de cette framework est associée à la parcimonie – que les choses s’organiseront de la manière la in addition uncomplicated ou la plus économique.

Des chercheurs de l’Université de Pittsburgh et de l’Université de Princeton ont découvert de manière inattendue que ce principe s’applique également à certains systèmes non biologiques qui convertissent l’énergie chimique en action mécanique – permettant aux feuilles de polymère bidimensionnelles de monter et de tourner dans des hélices en spirale sans l’application d’une alimentation externe..

Cet vehicle-assemblage en buildings tridimensionnelles cohérentes représente la dernière contribution du groupe dans le domaine de la robotique douce et des systèmes chimio-mécaniques.



La recherche a été publiée ce mois-ci dans Actes du Nexus de l’Académie nationale des sciences (PNAS). L’auteur principal est Raj Kumar Manna avec Oleg E. Shklyaev, associés postdoctoraux avec Anna Balazs, professeur émérite de génie chimique et pétrolier et titulaire de la chaire d’ingénierie John A. Swanson à la Pitt’s Swanson College of Engineering. L’auteur collaborateur est Howard A. Stone, titulaire de la chaire Donald R. Dixon ’69 et Elizabeth W. Dixon de génie mécanique et aérospatial à Princeton.

“Grâce à la modélisation informatique, nous avons placé des feuilles de polymère passives non revêtues autour d’un patch catalytique circulaire dans une chambre remplie de liquide. Nous avons ajouté du peroxyde d’hydrogène pour initier une réaction catalytique, qui a ensuite généré un écoulement de fluide. Alors qu’une feuille seule ne tournait pas dans le solution, plusieurs feuilles auto-assemblées de manière autonome dans une composition en forme de tour », a expliqué Manna. “Puis, comme la tour a connu une instabilité, les feuilles ont spontanément formé une structure entrelacée qui tourne dans le fluide.”



Comme l’a souligné Balazs, “Le tout ressemble à un fil de fil torsadé formé par une broche rotative, qui a été utilisée pour fabriquer des fibres pour le tissage. Sauf qu’il n’y a pas de broche le système forme naturellement la framework rotative entrelacée.”

Le flux affecte la feuille qui affecte le flux

En analysant in addition en détail les résultats, Manna a découvert que de minuscules fluctuations aléatoires de la focus locale du réactif créent un few suffisant pour que les quatre feuilles suspendues dans le fluide soient entraînées vers le haut, s’entrelacent et tournent. Ce phénomène d’interconnexion se produit de manière innée lorsque les réactifs et les produits ont des volumes différents, ce qui crée un gradient de densité en présence de la gravité.

“Ce fut une shock de voir ces simples feuilles 2D previous une spirale complexe simplement en” saupoudrant “un réactif – comme une cuillère à café de glucose – dans la chambre”, a déclaré Balazs. « Doubler le nombre de feuilles à huit augmentait la complexité de la spirale. Nous nous demandions si ce n’était que la pointe de l’iceberg — si nous poussions in addition loin, pourrions-nous développer les paramètres pour réaliser divers mouvements dynamiques, ce qui serait critique dans la programmation de soft ? robotique.”

Shklyaev a ajouté : “Les appareils sont généralement tridimensionnels et non bidimensionnels, donc en créant les règles de conception, nous pourrions augmenter la complexité des structures rotatives formées par les feuilles. Anna a fourni l’inspiration avec le tableau La Danse d’Henri Matisse et a demandé si nous pourrions reproduire les poses des danseurs.”

Manna et Shklyaev ont ensuite ajouté des extensions aux quatre feuilles, créant des constructions en forme de T ressemblant à des bras tendus. Selon Shklyaev, changer la forme des draps leur a permis de “régler” le mouvement des draps pour qu’il ressemble à une danse en cercle coordonnée.

Selon Balazs, les chercheurs peuvent quantifier la manière dont les feuilles interconnectées doivent être conçues et organisées, permettant ainsi à d’autres de développer davantage des systèmes moreover robustes et évolutifs. De additionally, la variation de la forme du récipient contenant le fluide – qui était rectangulaire dans leur modélisation – fournit une autre poignée pour adapter la réponse dynamique des systèmes.

“Lorsque vous avez une libération d’énergie chimique dans un fluide, elle est ensuite transformée en énergie mécanique, qui peut effectuer des actions spécifiques. Et bien que le processus dissipe de l’énergie, le basic fait d’ajouter une autre petite quantité de réactif la réactive”, a-t-elle déclaré. “La prochaine étape de notre étude consiste à programmer des feuilles passives et actives pour previous d’autres buildings tridimensionnelles entrelacées, maintenant que nous savons remark contrôler leurs réponses.”