Las reacciones químicas despiertan la vida en uno mismo

Sep 23, 2023

Por Cornell UniversityMay 26, 2023

Una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) muestra una microestructura de tetraedros de origami que se plegó automáticamente después de exponerse al hidrógeno. Crédito: Universidad de Cornell

Los investigadores de Cornell han ideado una forma de utilizar reacciones químicas para el plegado automático de máquinas de origami a microescala, lo que les permite trabajar en condiciones secas y a temperatura ambiente. Este avance podría allanar el camino para la creación de pequeños dispositivos autónomos que respondan rápidamente a su entorno químico.

Una colaboración dirigida por Cornell aprovechó las reacciones químicas para hacer que las máquinas de origami a microescala se plegaran solas, liberándolas de los líquidos en los que normalmente funcionan, para que puedan operar en ambientes secos y a temperatura ambiente.

El enfoque podría conducir algún día a la creación de una nueva flota de diminutos dispositivos autónomos que puedan responder rápidamente a su entorno químico.

El artículo del grupo, "Microaccionamiento en fase gaseosa utilizando estados superficiales controlados cinéticamente de láminas catalíticas ultrafinas", se publicó el 1 de mayo en Proceedings of the National Academy of Sciences. Los coautores principales del artículo son Nanqi Bao, Ph.D. '22, y el ex investigador postdoctoral Qingkun Liu, Ph.D. '22.

El proyecto fue dirigido por el autor principal Nicholas Abbott, profesor de la Universidad de Tisch en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular Robert F. Smith en Cornell Engineering, junto con Itai Cohen, profesor de física, y Paul McEuen, profesor de John A. Newman de Ciencias Físicas, ambas en la Facultad de Artes y Ciencias; y David Muller, Profesor de Ingeniería Samuel B. Eckert en Cornell Engineering.

"Existen tecnologías bastante buenas para la transducción de energía eléctrica a mecánica, como el motor eléctrico, y los grupos McEuen y Cohen han mostrado una estrategia para hacerlo a microescala, con sus robots", dijo Abbott. "Pero si busca transducciones químicas directas a mecánicas, en realidad hay muy pocas opciones".

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"}]">Celsius, y las reacciones a menudo eran tediosamente lentas, a veces de hasta 10 minutos, lo que hacía que el enfoque fuera poco práctico para las aplicaciones tecnológicas cotidianas.

Sin embargo, el grupo de Abbott encontró una especie de laguna mientras revisaba los datos de un experimento de catálisis: una pequeña sección de la vía de la reacción química contenía pasos lentos y rápidos.

"Si observa la respuesta del actuador químico, no es que pase de un estado directamente al otro estado. En realidad, pasa por una excursión a un estado doblado, una curvatura, que es más extrema que cualquiera de los dos extremos. estados", dijo Abbott. "Si comprende los pasos de reacción elementales en una vía catalítica, puede entrar y extraer quirúrgicamente los pasos rápidos. Puede operar su actuador químico alrededor de esos pasos rápidos e ignorar el resto".

Los investigadores necesitaban la plataforma de material adecuada para aprovechar ese momento cinético rápido, por lo que recurrieron a McEuen y Cohen, que habían trabajado con Muller para desarrollar láminas de platino ultrafinas cubiertas con titanio.

El grupo también colaboró ​​con teóricos, dirigidos por el profesor Manos Mavrikakis de la Universidad de Wisconsin, Madison, que utilizó cálculos de estructuras electrónicas para diseccionar la reacción química que se produce cuando el hidrógeno, adsorbido en el material, se expone al oxígeno.

Luego, los investigadores pudieron explotar el momento crucial en que el oxígeno elimina rápidamente el hidrógeno, lo que hace que el material atómicamente delgado se deforme y se doble, como una bisagra.

El sistema actúa a 600 milisegundos por ciclo y puede operar a 20 grados centígrados, es decir, temperatura ambiente, en ambientes secos.

"The result is quite generalizable," Abbott said. "There are a lot of catalytic reactions which have been developed based on all sorts of speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> especies. Entonces, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, amoníaco: todos son candidatos para usar como combustibles para actuadores accionados químicamente".

El equipo prevé aplicar la técnica a otros metales catalíticos, como el paladio y las aleaciones de paladio y oro. Eventualmente, este trabajo podría conducir a sistemas de materiales autónomos en los que los circuitos de control y la computación integrada sean manejados por la respuesta del material, por ejemplo, un sistema químico autónomo que regula los flujos en función de la composición química.

"Estamos realmente emocionados porque este trabajo allana el camino para máquinas de origami a microescala que funcionan en ambientes gaseosos", dijo Cohen.

Referencia: "Microaccionamiento en fase gaseosa utilizando estados superficiales controlados cinéticamente de láminas catalíticas ultrafinas" por Nanqi Bao, Qingkun Liu, Michael F. Reynolds, Marc Figueras, Evangelos Smith, Wei Wang, Michael C. Cao, David A. Muller, Manos Mavrikakis , Itai Cohen, Paul L. McEuen y Nicholas L. Abbott, 1 de mayo de 2023, Actas de la Academia Nacional de Ciencias

Los coautores incluyen al investigador postdoctoral Michael Reynolds, MS '17, Ph.D. '21; el estudiante de doctorado Wei Wang; Michael Cao'14; e investigadores de la Universidad de Wisconsin, Madison.

La investigación fue apoyada por el Centro de Investigación de Materiales de Cornell, que cuenta con el apoyo del programa MRSEC de la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército, la NSF, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y el Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala.

Los investigadores hicieron uso de Cornell NanoScale Facility, miembro de la Infraestructura Nacional Coordinada de Nanotecnología, que cuenta con el apoyo de la NSF; y los recursos del Centro Nacional de Computación Científica para la Investigación de la Energía (NERSC, por sus siglas en inglés), que cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

The project is part of the Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) program, which is designed to push nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">la ciencia a nanoescala y la ingeniería de microsistemas al siguiente nivel de diseño, función e integración.