Eine von Cornell geführte Zusammenarbeit machte sich chemische Reaktionen zunutze, um Origami-Maschinen im Mikromaßstab selbstfaltbar zu machen und sie von den Flüssigkeiten zu befreien, in denen sie normalerweise funktionieren, damit sie in trockenen Umgebungen und bei Raumtemperatur betrieben werden können.
Der Ansatz könnte eines Tages zur Schaffung einer neuen Flotte winziger autonomer Geräte führen, die schnell auf ihre chemische Umgebung reagieren können.
Die Veröffentlichung der Gruppe, „Gas-Phase Microactuation Using Kinetical Controlled Surface States of Ultrathin Catalytic Sheets“, veröffentlicht am 1. Mai in Proceedings of the National Academy of Sciences. Die Co-Lead-Autoren des Papiers sind Nanqi Bao, Ph.D. ’22, und ehemaliger Postdoktorand Qingkun Liu, Ph.D. ’22.
Das Projekt wurde von Seniorautor Nicholas Abbott, einem Tisch-Universitätsprofessor an der Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering in Cornell Engineering, zusammen mit Itai Cohen, Professor für Physik, und Paul McEuen, dem John A. Newman-Professor, geleitet Physikalische Wissenschaften, beide im College of Arts and Sciences; und David Muller, Samuel B. Eckert Professor of Engineering in Cornell Engineering.
„Es gibt ziemlich gute Technologien für die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie, wie den Elektromotor, und die McEuen- und Cohen-Gruppen haben mit ihren Robotern eine Strategie dafür im Mikromaßstab gezeigt“, sagte Abbott. „Aber wenn Sie nach direkten chemischen zu mechanischen Umwandlungen suchen, gibt es eigentlich nur sehr wenige Möglichkeiten.“
Reversible Aktivierung eines SCA während Expositionszyklen gegenüber einem O2-H2-Gemisch (10:1) und H2 bei Raumtemperatur (Echtzeit). Kredit: Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2221740120
Frühere Bemühungen hingen von chemischen Reaktionen ab, die nur unter extremen Bedingungen ablaufen konnten, beispielsweise bei hohen Temperaturen von mehreren 100 Grad Celsius, und die Reaktionen waren oft ermüdend langsam – manchmal bis zu 10 Minuten lang –, was den Ansatz für alltägliche technologische Anwendungen unpraktisch machte.
Allerdings fand Abbotts Gruppe bei der Überprüfung von Daten aus einem Katalyseexperiment eine Art Schlupfloch: Ein kleiner Abschnitt des chemischen Reaktionswegs enthielt sowohl langsame als auch schnelle Schritte.
„Wenn Sie sich die Reaktion des chemischen Stellglieds ansehen, geht es nicht direkt von einem Zustand in den anderen Zustand. Es durchläuft tatsächlich eine Exkursion in einen gebogenen Zustand, eine Krümmung, die extremer ist als jedes der beiden Enden Staaten“, sagte Abbott. „Wenn Sie die elementaren Reaktionsschritte in einem katalytischen Weg verstehen, können Sie hineingehen und die schnellen Schritte chirurgisch extrahieren. Sie können Ihren chemischen Aktuator um diese schnellen Schritte herum betreiben und den Rest einfach ignorieren.“
Die Forscher brauchten die richtige Materialplattform, um diesen schnellen kinetischen Moment zu nutzen, also wandten sie sich an McEuen und Cohen, die mit Muller zusammengearbeitet hatten, um ultradünne Platinbleche zu entwickeln, die mit Titan bedeckt waren.
Die Gruppe arbeitete auch mit Theoretikern unter der Leitung von Professor Manos Mavrikakis von der University of Wisconsin, Madison, zusammen, die elektronische Strukturberechnungen verwendeten, um die chemische Reaktion zu analysieren, die auftritt, wenn Wasserstoff – an das Material adsorbiert – Sauerstoff ausgesetzt wird.
Die Forscher konnten dann den entscheidenden Moment ausnutzen, in dem der Sauerstoff den Wasserstoff schnell abstreift, wodurch sich das atomar dünne Material wie ein Scharnier verformt und biegt.
Das System wird mit 600 Millisekunden pro Zyklus aktiviert und kann bei 20 Grad Celsius – dh Raumtemperatur – in trockenen Umgebungen betrieben werden.
„Das Ergebnis ist ziemlich verallgemeinerbar“, sagte Abbott. „Es gibt viele katalytische Reaktionen, die auf der Grundlage aller möglichen Arten entwickelt wurden. Also Kohlenmonoxid, Stickoxide, Ammoniak: Sie alle sind Kandidaten für die Verwendung als Kraftstoffe für chemisch angetriebene Aktuatoren.“
Das Team beabsichtigt, die Technik auf andere katalytische Metalle wie Palladium und Palladium-Gold-Legierungen anzuwenden. Letztendlich könnte diese Arbeit zu autonomen Materialsystemen führen, in denen die Steuerschaltkreise und Bordberechnungen von der Reaktion des Materials abgewickelt werden – zum Beispiel ein autonomes chemisches System, das Flüsse basierend auf der chemischen Zusammensetzung reguliert.
„Wir sind wirklich begeistert, weil diese Arbeit den Weg zu Origami-Maschinen im Mikromaßstab ebnet, die in gasförmigen Umgebungen arbeiten“, sagte Cohen.
Mehr Informationen:
Nanqi Bao et al, Gasphasen-Mikroaktuierung unter Verwendung kinetisch kontrollierter Oberflächenzustände ultradünner katalytischer Schichten, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2221740120