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Uma colaboração liderada por Cornell aproveitou reações químicas para fazer máquinas de origami em microescala se dobrarem – libertando-as dos líquidos em que normalmente funcionam, para que possam operar em ambientes secos e à temperatura ambiente.
A abordagem pode um dia levar à criação de uma nova frota de pequenos dispositivos autônomos que podem responder rapidamente ao seu ambiente químico.
O artigo do grupo, “Gas-Phase Microactuation Using Kinetically Controlled Surface States of Ultrathin Catalytic Sheets”, publicado em 1º de maio na Anais da Academia Nacional de Ciências. Os co-autores principais do artigo são Nanqi Bao, Ph.D. ’22, e ex-pesquisador de pós-doutorado Qingkun Liu, Ph.D. ’22.
O projeto foi liderado pelo autor sênior Nicholas Abbott, professor da Tisch University na Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering em Cornell Engineering, juntamente com Itai Cohen, professor de física, e Paul McEuen, professor da John A. Newman Ciências Físicas, tanto na Faculdade de Letras como na Faculdade de Ciências; e David Muller, professor de engenharia Samuel B. Eckert na Cornell Engineering.
“Existem tecnologias muito boas para a transdução de energia elétrica para mecânica, como o motor elétrico, e os grupos McEuen e Cohen mostraram uma estratégia para fazer isso em microescala, com seus robôs”, disse Abbott. “Mas se você procurar por transduções químicas diretas para mecânicas, na verdade existem muito poucas opções.”
Esforços anteriores dependiam de reações químicas que só podiam ocorrer em condições extremas, como em altas temperaturas de vários 100 graus Celsius, e as reações eram muitas vezes tediosamente lentas – às vezes até 10 minutos – tornando a abordagem impraticável para aplicações tecnológicas diárias .
No entanto, o grupo de Abbott encontrou uma espécie de brecha ao revisar os dados de um experimento de catálise: uma pequena seção do caminho da reação química continha etapas lentas e rápidas.
“Se você olhar para a resposta do atuador químico, não é que ele vá de um estado diretamente para o outro estado. Na verdade, ele passa por uma excursão em um estado dobrado, uma curvatura, que é mais extrema do que qualquer uma das duas extremidades. estados”, disse Abbott. “Se você entende as etapas elementares da reação em uma via catalítica, pode entrar e extrair cirurgicamente as etapas rápidas. Você pode operar seu atuador químico em torno dessas etapas rápidas e simplesmente ignorar o resto.”
Os pesquisadores precisavam da plataforma de material certa para alavancar esse rápido momento cinético, então eles se voltaram para McEuen e Cohen, que trabalharam com Muller para desenvolver folhas de platina ultrafinas revestidas com titânio.
O grupo também colaborou com teóricos, liderados pelo professor Manos Mavrikakis da Universidade de Wisconsin, Madison, que usou cálculos de estrutura eletrônica para dissecar a reação química que ocorre quando o hidrogênio – adsorvido ao material – é exposto ao oxigênio.
Os pesquisadores foram então capazes de explorar o momento crucial em que o oxigênio retira rapidamente o hidrogênio, fazendo com que o material atomicamente fino se deforme e dobre, como uma dobradiça.
O sistema atua a 600 milissegundos por ciclo e pode operar a 20 graus Celsius – ou seja, temperatura ambiente – em ambientes secos.
“O resultado é bastante generalizável”, disse Abbott. “Existem muitas reações catalíticas que foram desenvolvidas com base em todos os tipos de espécies. Portanto, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio, amônia: todos são candidatos a serem usados como combustíveis para atuadores acionados quimicamente.”
A equipe prevê aplicar a técnica a outros metais catalíticos, como paládio e ligas de ouro paládio. Eventualmente, esse trabalho pode levar a sistemas de materiais autônomos nos quais os circuitos de controle e a computação a bordo são manipulados pela resposta do material – por exemplo, um sistema químico autônomo que regula os fluxos com base na composição química.
“Estamos muito entusiasmados porque este trabalho abre caminho para máquinas de origami em microescala que funcionam em ambientes gasosos”, disse Cohen.
Os co-autores incluem o pesquisador de pós-doutorado Michael Reynolds, MS ’17, Ph.D. ’21; aluno de doutorado Wei Wang; Michael Cao ’14; e pesquisadores da Universidade de Wisconsin, Madison.
A pesquisa foi apoiada pelo Cornell Center for Materials Research, que é apoiado pelo programa MRSEC da National Science Foundation, pelo Army Research Office, pela NSF, pelo Air Force Office of Scientific Research e pelo Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science.
Os pesquisadores fizeram uso do Cornell NanoScale Facility, um membro da National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, que é apoiado pela NSF; e recursos do National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), que é apoiado pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos Estados Unidos.
O projeto faz parte do programa Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano), projetado para impulsionar a ciência em nanoescala e a engenharia de microssistemas para o próximo nível de design, função e integração.
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