Chemische Reaktionen erwecken das Selbst zum Leben

Sep 23, 2023

Von der Cornell University, 26. Mai 2023

Eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme (REM) zeigt eine Origami-Tetraeder-Mikrostruktur, die sich selbst faltete, nachdem sie Wasserstoff ausgesetzt wurde. Bildnachweis: Cornell University

Cornell-Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, chemische Reaktionen für die Selbstfaltung von Origami-Maschinen im Mikromaßstab zu nutzen, sodass sie unter trockenen Bedingungen bei Raumtemperatur arbeiten können. Dieser Durchbruch könnte den Weg für die Entwicklung winziger, autonomer Geräte ebnen, die schnell auf ihre chemische Umgebung reagieren.

Eine von Cornell geleitete Zusammenarbeit nutzte chemische Reaktionen, um Origami-Maschinen im Mikromaßstab dazu zu bringen, sich selbst zu falten – und sie so von den Flüssigkeiten zu befreien, in denen sie normalerweise funktionieren, sodass sie in trockenen Umgebungen und bei Raumtemperatur betrieben werden können.

Der Ansatz könnte eines Tages zur Schaffung einer neuen Flotte winziger autonomer Geräte führen, die schnell auf ihre chemische Umgebung reagieren können.

Der Artikel der Gruppe mit dem Titel „Gas-Phase Microactuation Using Kinetically Controlled Surface States of Ultrathin Catalytic Sheets“ wurde am 1. Mai in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht. Die Co-Hauptautoren des Papiers sind Nanqi Bao, Ph.D. '22 und ehemaliger Postdoktorand Qingkun Liu, Ph.D. '22.

Das Projekt wurde vom leitenden Autor Nicholas Abbott, einem Tisch-Universitätsprofessor an der Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering in Cornell Engineering, zusammen mit Itai Cohen, Professor für Physik, und Paul McEuen, dem John A. Newman-Professor für, geleitet Physikalische Wissenschaften, beide an der Hochschule für Künste und Wissenschaften; und David Muller, Samuel B. Eckert-Professor für Ingenieurwissenschaften in Cornell Engineering.

„Es gibt ziemlich gute Technologien für die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie, wie zum Beispiel den Elektromotor, und die Gruppen von McEuen und Cohen haben mit ihren Robotern eine Strategie gezeigt, um dies im Mikromaßstab zu bewerkstelligen“, sagte Abbott. „Aber wenn man nach direkten chemischen zu mechanischen Transduktionen sucht, gibt es tatsächlich nur sehr wenige Optionen.“

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"}]">Die Reaktionen waren oft ermüdend langsam – manchmal bis zu 10 Minuten –, was den Ansatz für alltägliche technische Anwendungen unpraktisch machte.

Allerdings entdeckte Abbotts Gruppe bei der Durchsicht von Daten aus einem Katalyseexperiment eine Art Lücke: Ein kleiner Abschnitt des chemischen Reaktionswegs enthielt sowohl langsame als auch schnelle Schritte.

„Wenn man sich die Reaktion des chemischen Aktuators ansieht, geht es nicht so, dass er von einem Zustand direkt in den anderen übergeht. Er durchläuft tatsächlich einen Ausflug in einen gebogenen Zustand, eine Krümmung, die extremer ist als jedes der beiden Enden.“ Staaten“, sagte Abbott. „Wenn Sie die elementaren Reaktionsschritte in einem katalytischen Weg verstehen, können Sie hineingehen und die schnellen Schritte chirurgisch entfernen. Sie können Ihren chemischen Aktuator um diese schnellen Schritte herum steuern und den Rest einfach ignorieren.“

Die Forscher brauchten die richtige Materialplattform, um dieses schnelle kinetische Moment zu nutzen, und wandten sich daher an McEuen und Cohen, die mit Muller zusammengearbeitet hatten, um ultradünne, mit Titan bedeckte Platinplatten zu entwickeln.

Die Gruppe arbeitete auch mit Theoretikern unter der Leitung von Professor Manos Mavrikakis von der University of Wisconsin, Madison, zusammen, die elektronische Strukturberechnungen verwendeten, um die chemische Reaktion zu analysieren, die auftritt, wenn an das Material adsorbierter Wasserstoff Sauerstoff ausgesetzt wird.

Den Forschern gelang es dann, den entscheidenden Moment auszunutzen, in dem der Sauerstoff den Wasserstoff schnell abspaltet, wodurch sich das atomar dünne Material wie ein Scharnier verformt und biegt.

Das System wird mit 600 Millisekunden pro Zyklus aktiviert und kann in trockenen Umgebungen bei 20 Grad Celsius – also Raumtemperatur – betrieben werden.

"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"}]"> Spezies. Also Kohlenmonoxid, Stickoxide, Ammoniak: Sie alle sind Kandidaten für die Verwendung als Kraftstoffe für chemisch angetriebene Aktuatoren.“

Das Team geht davon aus, die Technik auf andere katalytische Metalle wie Palladium und Palladium-Gold-Legierungen anzuwenden. Letztendlich könnte diese Arbeit zu autonomen Materialsystemen führen, in denen die Steuerschaltung und die Bordberechnung durch die Reaktion des Materials gesteuert werden – zum Beispiel ein autonomes chemisches System, das Flüsse auf der Grundlage der chemischen Zusammensetzung reguliert.

„Wir sind wirklich begeistert, denn diese Arbeit ebnet den Weg zu Origami-Maschinen im Mikromaßstab, die in gasförmigen Umgebungen arbeiten“, sagte Cohen.

Referenz: „Gas-Phase Microactuation using kinetically Controlled Surface States of Ultrathin Catalytic Sheets“ von 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 und Nicholas L. Abbott, 1. Mai 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences

Zu den Co-Autoren gehört der Postdoktorand Michael Reynolds, MS '17, Ph.D. '21; Doktorand Wei Wang; Michael Cao '14; und Forscher an der University of Wisconsin, Madison.

Die Forschung wurde vom Cornell Center for Materials Research, das vom MRSEC-Programm der National Science Foundation unterstützt wird, dem Army Research Office, der NSF, dem Air Force Office of Scientific Research und dem Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science unterstützt.

Die Forscher nutzten die Cornell NanoScale Facility, ein Mitglied der National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die von der NSF unterstützt wird; und Ressourcen des National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), das vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt wird.

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"}]">nanoskalige Wissenschaft und Mikrosystemtechnik auf die nächste Ebene von Design, Funktion und Integration.