SCTD, 26/05/2023
Os pesquisadores de Cornell desenvolveram uma maneira de utilizar reações químicas para o auto-dobramento de máquinas de origami em microescala, permitindo que elas trabalhem em condições secas e à temperatura ambiente. 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 as reações químicas para tornar as máquinas de origami em microescala autodobradas – libertando-as dos líquidos em que geralmente 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 minúsculos 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-principais autores 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 Universidade de Tisch na Escola Robert F. Smith de Engenharia Química e Biomolecular em Cornell Engineering, juntamente com Itai Cohen, professor de física, e Paul McEuen, professor de Ciências Físicas John A. Newman, ambos na Faculdade de Artes e Ciências; e David Muller, professor de engenharia de Cornell Engineering.
"Existem tecnologias muito boas para 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 transduções químicas diretas para mecânicas, na verdade há muito poucas opções."
Os 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 cotidianas.
No entanto, o grupo de Abbott encontrou uma espécie de brecha ao revisar dados de um experimento de catálise: uma pequena seção da via de reação química continha passos lentos e rápidos.
"Se você olhar a resposta do atuador químico, não é que ele vai de um estado diretamente para o outro. Na verdade, ele passa por uma excursão em um estado dobrado, uma curvatura, que é mais extrema do que qualquer um dos dois estados finais", disse Abbott. "Se você entender as etapas elementares de reação em um caminho catalítico, você pode entrar e meio que extrair cirurgicamente os passos rápidos. Você pode operar seu atuador químico em torno desses passos rápidos e simplesmente ignorar o resto."
Os pesquisadores precisavam da plataforma de material certa para aproveitar esse momento cinético rápido, então recorreram a McEuen e Cohen, que haviam trabalhado com Muller para desenvolver folhas de platina ultrafinas cobertas com titânio.
O grupo também colaborou com teóricos, liderados pelo professor Manos Mavrikakis, da Universidade de Wisconsin, Madison, que usaram cálculos de estrutura eletrônica para dissecar a reação química que ocorre quando o hidrogênio – absorvido ao material – é exposto ao oxigênio.
Os pesquisadores foram então capazes de explorar o momento crucial em que o oxigênio rapidamente retira o hidrogênio, fazendo com que o material atomicamente fino se deforme e se 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. "Há muitas reações catalíticas que foram desenvolvidas com base em todos os tipos de espécies. Então, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio, amônia: todos eles são candidatos a usar como combustíveis para atuadores quimicamente acionados."
A equipe prevê aplicar a técnica a outros metais catalíticos, como paládio e ligas de ouro paládio. Eventualmente, esse trabalho poderia levar a sistemas de materiais autônomos nos quais o circuito de controle e a computação a bordo são manipulados pela resposta do material – por exemplo, um sistema químico autônomo que regula fluxos com base na composição química.
"Estamos muito animados porque este trabalho abre caminho para máquinas de origami em microescala que funcionam em ambientes gasosos", disse Cohen.
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Fonte:https://scitechdaily.com/chemical-reactions-spark-life-into-self-folding-micro-origami-machines/
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