O novo mecanismo de catraca usa uma engrenagem geometricamente simétrica acionada pela molhabilidade assimétrica da superfície

O mecanismo de catraca é um fascinante sistema de conversão de energia que converte movimento desordenado ou aleatório em movimento ordenado e direcionado por meio de um processo conhecido como retificação espontânea. É um componente crítico de sistemas mecânicos, consistindo tipicamente de uma engrenagem e uma lingueta, que restringe o movimento da engrenagem em uma direção.

Em sistemas biológicos, o conceito de catraca browniana foi proposto para ajudar a entender o mecanismo dos motores moleculares, onde reações químicas retificam o movimento térmico aleatório das moléculas.

De acordo com a segunda lei da termodinâmica, flutuações térmicas uniformes não podem gerar movimento regular espontaneamente. Catracas brownianas práticas, portanto, requerem flutuações de não equilíbrio para funcionar.

Reações químicas fisiológicas em sistemas biológicos modulam o movimento térmico e são conhecidas por gerar flutuações não térmicas, que podem ser cruciais para o mecanismo de catraca. Além disso, identificar os tipos de movimentos ruidosos de não equilíbrio que podem ser retificados por um mecanismo de catraca é uma questão intrigante e fundamental na ciência, facilitando o desenvolvimento de novas tecnologias de coleta de energia.

A catraca de Feynman–Smoluchowski é um exemplo clássico de uma catraca browniana ativa, o que levou a vários estudos sobre motores de catraca.

Na maioria desses estudos, o mecanismo de catraca envolve o uso de uma catraca geometricamente assimétrica para retificar flutuações não térmicas derivadas de vibrações mecânicas.

Em um avanço, uma equipe de pesquisadores do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade Doshisha, liderada pela estudante de doutorado Miku Hatatani, juntamente com o professor associado Yamamoto Daigo e o professor Akihisa Shioi, desenvolveu um novo mecanismo de catraca baseado na assimetria da molhabilidade da superfície usando uma engrenagem geometricamente simétrica.

“Nós realizamos um novo modelo de um motor de catraca browniano ativo que utiliza o perfil de energia de superfície para o mecanismo de catraca. Isso é bem diferente das catracas geometricamente assimétricas convencionais e está mais próximo do biológico”, explica Hatatani.

O estudo foi publicado na revista Relatórios científicos em 18 de julho de 2024.

O inovador mecanismo de catraca desenvolvido pela equipe envolve uma engrenagem em forma de estrela geometricamente simétrica feita de resina de acrilonitrila butadieno estireno (ABS), com seis dentes triangulares. O parafilme é fixado alternadamente ao lado direito de cada dente, visto da face frontal da engrenagem, resultando em uma diferença na molhabilidade da superfície entre as duas faces dos dentes.

A engrenagem foi testada colocando-a em uma placa de Petri cheia de água, com sua frente voltada para uma câmera montada em cima da placa. A engrenagem foi fixada com um pino de pressão através de um furo perfurado em seu centro. A placa de Petri foi colocada em um disco vibratório que oscilava verticalmente em uma frequência pré-determinada, produzindo flutuações aleatórias na água.

A engrenagem com o parafilme demonstrou um giro unidirecional no leito d’água com oscilações verticais em uma faixa restrita de frequência e amplitude.

Em contraste, a engrenagem sem o parafilme não exibiu um spin unidirecional para nenhuma frequência ou amplitude. O spin unidirecional para a engrenagem do parafilme foi determinado pela quiralidade da engrenagem, significando que a direção do giro era oposta quando vista de faces diferentes.

Ela exibia uma direção de giro no sentido horário quando vista da face frontal, e vice-versa. Curiosamente, a engrenagem mostrou flutuações em ambas as direções em escalas de tempo mais curtas, mas em escalas de tempo mais longas, ela mostrou um giro unidirecional.

Os pesquisadores investigaram o mecanismo deste inovador motor de catraca e descobriram que seu movimento único é gerado por um processo estocástico com uma força motriz tendenciosa. Esta força motriz tendenciosa foi produzida pela diferença nas interações das ondas de água, ou molhabilidade da superfície, entre a face de parafilme altamente lisa e a face não parafilme relativamente áspera dos dentes da engrenagem.

Destacando o potencial deste estudo, Hatatani observa: “Considerando que uma catraca molecular funciona em um potencial assimétrico com variação cíclica, nosso sistema pode proporcionar um avanço na geração de um novo projeto de motor de catraca.

“Acreditamos que isso pode levar ao desenvolvimento de tecnologias de coleta de energia que podem, por exemplo, permitir o transporte direcionado a partir de ruído vibracional e um motor de tamanho micrométrico, atuando em um dispositivo microfluídico.”

Olhando para o futuro, ela conclui: “Esperamos que nosso trabalho possa inspirar estudos futuros que, em última análise, levarão à descoberta do elo perdido entre ciência e tecnologia para a realização de catracas brownianas reais e, consequentemente, levar a novas tecnologias de coleta de energia.”