Reações químicas despertam vida em si mesmo

Sep 23, 2023

Por Cornell University, 26 de maio de 2023

Uma imagem de microscópio eletrônico de varredura (SEM) mostra uma microestrutura de tetraedro de origami que se dobrou após ser exposta ao hidrogênio. Crédito: Universidade de Cornell

Os pesquisadores da Cornell desenvolveram uma maneira de utilizar reações químicas para a autodobragem de máquinas de origami em microescala, permitindo que trabalhem em condições de temperatura ambiente secas. Esse avanço pode abrir caminho para a criação de pequenos dispositivos autônomos que respondem rapidamente ao seu ambiente químico.

Uma colaboração liderada por Cornell aproveitou reações químicas para fazer máquinas de origami em microescala se dobrarem automaticamente – liberando-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", foi publicado em 1º de maio na revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Os co-autores principais do artigo são Nanqi Bao, Ph.D. '22, e o 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."

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 as reações costumavam ser tediosamente lentas – às vezes até 10 minutos – tornando a abordagem impraticável para aplicações tecnológicas cotidianas.

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.