Химические реакции пробуждают в себе жизнь

Sep 23, 2023

Корнельский университет, 26 мая 2023 г.

На изображении сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) видна микроструктура тетраэдров оригами, которая самосвернулась после воздействия водорода. Предоставлено: Корнельский университет.

Исследователи из Корнелла разработали способ использования химических реакций для самостоятельного складывания микромасштабных машин для оригами, что позволяет им работать в сухих условиях при комнатной температуре. Этот прорыв может проложить путь к созданию крошечных автономных устройств, которые быстро реагируют на химическое окружение.

Коллаборация под руководством Корнелла использовала химические реакции, чтобы заставить микромасштабные машины оригами самоскладываться, освобождая их от жидкостей, в которых они обычно функционируют, поэтому они могут работать в сухой среде и при комнатной температуре.

Этот подход однажды может привести к созданию нового парка крошечных автономных устройств, которые смогут быстро реагировать на химическую среду.

Статья группы «Микроактивация в газовой фазе с использованием кинетически контролируемых состояний поверхности ультратонких каталитических листов» была опубликована 1 мая в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Соавторами статьи являются Наньци Бао, доктор философии. 22 года, бывший научный сотрудник Цинкунь Лю, доктор философии. '22.

Проект возглавляли старший автор Николас Эбботт, профессор Университета Тиш в Школе химической и биомолекулярной инженерии Роберта Ф. Смита в Корнеллском машиностроении, вместе с Итаем Коэном, профессором физики, и Полом МакЮэном, профессором Джона А. Ньюмана. Физические науки в Колледже искусств и наук; и Дэвид Мюллер, профессор инженерных наук имени Сэмюэля Б. Экерта в Корнеллском машиностроительном университете.

«Существуют довольно хорошие технологии преобразования электрической энергии в механическую, такие как электродвигатели, и группы МакЮэна и Коэна продемонстрировали стратегию реализации этого на микромасштабе с помощью своих роботов», — сказал Эбботт. «Но если вы ищете прямую химическую трансформацию в механическую, на самом деле вариантов очень мало».

Prior efforts depended on chemical reactions that could only occur in extreme conditions, such as at high temperatures of several 100 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Цельсия, а реакции часто были утомительно медленными – иногда до 10 минут – что делало этот подход непрактичным для повседневных технологических приложений.

Однако группа Эбботта обнаружила своего рода лазейку при анализе данных эксперимента по катализу: небольшой участок пути химической реакции содержал как медленные, так и быстрые этапы.

«Если вы посмотрите на реакцию химического привода, то вы увидите, что он не переходит из одного состояния непосредственно в другое. штатов", - сказал Эбботт. «Если вы понимаете элементарные этапы каталитической реакции, вы можете пойти и хирургическим путем выделить быстрые этапы. Вы можете управлять своим химическим приводом вокруг этих быстрых этапов и просто игнорировать остальную часть».

Исследователям нужна была подходящая материальная платформа, чтобы использовать этот быстрый кинетический момент, поэтому они обратились к МакЮэну и Коэну, которые работали с Мюллером над разработкой ультратонких листов платины, покрытых титаном.

Группа также сотрудничала с теоретиками во главе с профессором Маносом Маврикакисом из Университета Висконсина, Мэдисон, который использовал расчеты электронной структуры, чтобы проанализировать химическую реакцию, которая происходит, когда водород, адсорбированный на материале, подвергается воздействию кислорода.

Затем исследователям удалось воспользоваться решающим моментом, когда кислород быстро отрывает водород, заставляя атомарно тонкий материал деформироваться и сгибаться, как шарнир.