Le reazioni chimiche innescano la vita nel sé

Sep 23, 2023

Di Cornell University, 26 maggio 2023

Un'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) mostra una microstruttura di tetraedri di origami che si è auto-piegata dopo essere stata esposta all'idrogeno. Credito: Cornell University

I ricercatori della Cornell University hanno ideato un modo per utilizzare le reazioni chimiche per l'auto-piegatura delle macchine per origami su microscala, consentendo loro di lavorare in condizioni asciutte e a temperatura ambiente. Questa svolta potrebbe aprire la strada alla creazione di piccoli dispositivi autonomi che rispondono rapidamente alle sostanze chimiche circostanti.

Una collaborazione guidata dalla Cornell ha sfruttato le reazioni chimiche per far sì che le macchine origami su microscala si pieghino da sole, liberandole dai liquidi in cui funzionano solitamente, in modo che possano funzionare in ambienti asciutti e a temperatura ambiente.

L’approccio potrebbe un giorno portare alla creazione di una nuova flotta di minuscoli dispositivi autonomi in grado di rispondere rapidamente al loro ambiente chimico.

L'articolo del gruppo, "Microattuazione in fase gassosa utilizzando stati superficiali controllati cineticamente di fogli catalitici ultrasottili", è stato pubblicato il 1 maggio in Proceedings of the National Academy of Sciences. I co-autori principali dell'articolo sono Nanqi Bao, Ph.D. '22, e l'ex ricercatore post-dottorato Qingkun Liu, Ph.D. '22.

Il progetto è stato guidato dall'autore senior Nicholas Abbott, professore della Tisch University presso la Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering della Cornell Engineering, insieme a Itai Cohen, professore di fisica, e Paul McEuen, professore di John A. Newman di Scienze fisiche, sia nel College of Arts and Sciences; e David Muller, il professore di ingegneria Samuel B. Eckert alla Cornell Engineering.

"Esistono tecnologie abbastanza buone per la trasduzione dell'energia elettrica in meccanica, come il motore elettrico, e i gruppi McEuen e Cohen hanno mostrato una strategia per farlo su microscala, con i loro robot", ha detto Abbott. "Ma se si cerca una trasduzione diretta da chimica a meccanica, in realtà ci sono pochissime opzioni."

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, e le reazioni erano spesso noiosamente lente – a volte fino a 10 minuti – rendendo l’approccio poco pratico per le applicazioni tecnologiche quotidiane.

Tuttavia, il gruppo di Abbott ha trovato una sorta di scappatoia mentre esaminava i dati di un esperimento di catalisi: una piccola sezione del percorso della reazione chimica conteneva passaggi sia lenti che veloci.

"Se si osserva la risposta dell'attuatore chimico, non è che va da uno stato direttamente all'altro. In realtà passa attraverso un'escursione in uno stato piegato, una curvatura, che è più estrema di ciascuna delle due estremità stati", ha detto Abbott. "Se comprendi le fasi elementari della reazione in un percorso catalitico, puoi entrare ed estrarre chirurgicamente i passaggi rapidi. Puoi azionare il tuo attuatore chimico attorno a quei passaggi rapidi e ignorare il resto."

I ricercatori avevano bisogno della giusta piattaforma materiale per sfruttare quel rapido momento cinetico, quindi si sono rivolti a McEuen e Cohen, che avevano lavorato con Muller per sviluppare fogli di platino ultrasottili ricoperti di titanio.

Il gruppo ha anche collaborato con teorici, guidati dal professor Manos Mavrikakis dell’Università del Wisconsin, Madison, che hanno utilizzato calcoli di struttura elettronica per analizzare la reazione chimica che si verifica quando l’idrogeno, adsorbito nel materiale, viene esposto all’ossigeno.

I ricercatori sono stati quindi in grado di sfruttare il momento cruciale in cui l’ossigeno strappa rapidamente l’idrogeno, provocando la deformazione e la piegatura del materiale atomicamente sottile, come una cerniera.