Une collaboration dirigée par Cornell a exploité des réactions chimiques pour faire des machines à origami à micro-échelle, les libérant des liquides dans lesquels elles fonctionnent habituellement, afin qu’elles puissent fonctionner dans des environnements secs et à température ambiante.
L’approche pourrait un jour conduire à la création d’une nouvelle flotte de minuscules appareils autonomes capables de réagir rapidement à leur environnement chimique.
L’article du groupe, “Fuel-Stage Microactuation Working with Kinetically Controlled Surface area States of Ultrathin Catalytic Sheets”, a été publié le 1er mai dans Proceedings of the Countrywide Academy of Sciences. Les co-auteurs principaux de l’article sont Nanqi Bao, Ph.D. ’22, et l’ancien chercheur postdoctoral Qingkun Liu, Ph.D. ’22.
Le projet a été dirigé par l’auteur principal Nicholas Abbott, professeur à l’Université Tisch à la Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering de Cornell Engineering, avec Itai Cohen, professeur de physique, et Paul McEuen, professeur John A. Newman de Sciences physiques, à la fois au Collège des arts et des sciences et David Muller, professeur d’ingénierie Samuel B. Eckert à Cornell Engineering.
“Il existe d’assez bonnes systems pour la transduction de l’énergie électrique en énergie mécanique, comme le moteur électrique, et les groupes McEuen et Cohen ont montré une stratégie pour le faire à l’échelle microscopique, avec leurs robots”, a déclaré Abbott. “Mais si vous recherchez des transductions chimiques directes vers des transductions mécaniques, il y a en fait très peu d’options.”
Les efforts antérieurs dépendaient de réactions chimiques qui ne pouvaient se produire que dans des problems extrêmes, comme à des températures élevées de plusieurs 100 degrés Celsius, et les réactions étaient souvent fastidieusement lentes – parfois jusqu’à 10 minutes – rendant l’approche impraticable pour les apps technologiques quotidiennes..
Cependant, le groupe d’Abbott a trouvé une sorte d’échappatoire lors de l’examen des données d’une expérience de catalyse : une petite section de la voie de réaction chimique contenait à la fois des étapes lentes et rapides.
“Si vous regardez la réponse de l’actionneur chimique, ce n’est pas qu’il passe directement d’un état à l’autre. Il passe en fait par une tour dans un état plié, une courbure, qui est additionally extrême que l’une ou l’autre des deux extrémités. États », a déclaré Abbott. “Si vous comprenez les étapes de réaction élémentaires dans une voie catalytique, vous pouvez entrer et en quelque sorte extraire chirurgicalement les étapes rapides. Vous pouvez faire fonctionner votre actionneur chimique autour de ces étapes rapides et ignorer le reste.”
Les chercheurs avaient besoin de la bonne plate-forme matérielle pour tirer parti de ce second cinétique rapide, ils se sont donc tournés vers McEuen et Cohen, qui avaient travaillé avec Muller pour développer des feuilles de platine ultrafines coiffées de titane.
Le groupe a également collaboré avec des théoriciens, dirigés par le professeur Manos Mavrikakis de l’Université du Wisconsin à Madison, qui a utilisé des calculs de structure électronique pour disséquer la réaction chimique qui se produit lorsque l’hydrogène – adsorbé sur le matériau – est exposé à l’oxygène.
Les chercheurs ont alors pu exploiter le minute essential où l’oxygène dépouille rapidement l’hydrogène, provoquant la déformation et la flexion du matériau atomiquement mince, comme une charnière.
Le système s’actionne à 600 millisecondes par cycle et peut fonctionner à 20 degrés Celsius, c’est-à-dire à température ambiante, dans des environnements secs.
“Le résultat est assez généralisable”, a déclaré Abbott. “Il existe de nombreuses réactions catalytiques qui ont été développées à partir de toutes sortes d’espèces. Ainsi, le monoxyde de carbone, les oxydes d’azote, l’ammoniac : ce sont tous des candidats à utiliser comme carburants pour les actionneurs à entraînement chimique.”
L’équipe prévoit d’appliquer la technique à d’autres métaux catalytiques, tels que le palladium et les alliages d’or et de palladium. Finalement, ce travail pourrait conduire à des systèmes de matériaux autonomes dans lesquels les circuits de contrôle et le calcul embarqué sont gérés par la réponse du matériau – par exemple, un système chimique autonome qui régule les flux en fonction de la composition chimique.
“Nous sommes vraiment excités parce que ce travail ouvre la voie à des equipment à origami à micro-échelle qui fonctionnent dans des environnements gazeux”, a déclaré Cohen.
Les co-auteurs incluent le chercheur postdoctoral Michael Reynolds, MS ’17, Ph.D. ’21 le doctorant Wei Wang Michael Cao ’14 et des chercheurs de l’Université du Wisconsin à Madison.
La recherche a été soutenue par le Cornell Center for Materials Research, qui est soutenu par le programme MRSEC de la Countrywide Science Foundation, le Military Exploration Business, la NSF, le Air Drive Business office of Scientific Investigate et le Kavli Institute de Cornell for Nanoscale Science.
Les chercheurs ont utilisé la Cornell NanoScale Facility, membre de la Countrywide Nanotechnology Coordinated Infrastructure, qui est soutenue par la NSF et les ressources du Countrywide Strength Study Scientific Computing Centre (NERSC), qui est soutenu par le Bureau des sciences du Département américain de l’énergie.
Le projet fait partie du programme Nanoscale Science and Microsystems Engineering (Following Nano), qui est conçu pour faire passer la science à l’échelle nanométrique et l’ingénierie des microsystèmes à un niveau supérieur de conception, de fonction et d’intégration.