science >> Wetenschap >  >> Chemie

Onderzoekers ontwikkelen zelfaangedreven microfluïdische plaat die zich wikkelt, flappen en kruipen

Een animatie van het uitpakken van een katalse-gecoate bloemachtige plaat rond een capsule. Zwarte pijlen geven de richting en grootte van het stroomveld in de oplossing aan. Krediet:Abhrajit Laskar

Het "magische tapijt" in verhalen van "Duizend-en-een-nacht" tot Disney's "Aladdin" spreekt tot de verbeelding, niet alleen omdat het kan vliegen, maar omdat het ook kan zwaaien, klep, en verander zijn vorm om zijn ruiters te dienen. Met die inspiratie, en de hulp van katalytische chemische reacties in oplossingen, een team van de Swanson School of Engineering van de University of Pittsburgh heeft een tweedimensionaal, vormveranderende plaat die autonoom beweegt in een vloeistof gevuld met reactant.

Het artikel, "Zelfrijdende ontwerpen, chemisch actieve vellen:Wrappers, flappers en klimplanten, " werd onlangs gepubliceerd in het AAAS-tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . Hoofdonderzoeker is Anna C. Balazs, de John A. Swanson Chair en Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering aan de Swanson School. Hoofdauteur is Abhrajit Laskar, en co-auteur is Oleg E. Shklyaev, beide postdoctorale medewerkers.

"Het is lang een uitdaging geweest in de chemie om een ​​niet-levend object te creëren dat op zichzelf beweegt in een omgeving, die op zijn beurt de vorm van het object verandert, waardoor het gloednieuwe taken kan uitvoeren, zoals het vangen van andere objecten, " Dr. Balazs legde uit. "Onderzoekers hebben eerder chemisch actieve plekken op een oppervlak gemaakt die vloeistofstroom kunnen genereren, maar de stroom had geen invloed op de locatie of vorm van de patch. En in ons eigen lab hebben we bolvormige en rechthoekige deeltjes gemodelleerd die autonoom kunnen bewegen in een met vloeistof gevulde microkamer. Maar nu hebben we dit geïntegreerde systeem dat een chemische reactie gebruikt om de vloeiende beweging te activeren die tegelijkertijd een flexibel object transporteert en zijn vorm "beeldhouwt", en het gebeurt allemaal autonoom."

De groep bereikte deze prestatie van zelfaandrijving en herconfiguratie door een coating van katalysatoren op de flexibele plaat aan te brengen, dat is ongeveer de breedte van een mensenhaar. De toevoeging van reactanten aan de omringende vloeistof initieert zowel de beweging van het tapijt als de vormveranderingen. "Voor zover ons bekend, dit is de eerste keer dat deze katalytische chemische reacties zijn toegepast op 2D-platen om stromen te genereren die deze platen in mobiel veranderen, 3D-objecten, ' zei Dr. Balazs.

Verder, door verschillende katalysatoren op specifieke delen van de plaat te plaatsen en de hoeveelheid en het type reactanten in de vloeistof te regelen, de groep creëerde een nuttige cascade van katalytische reacties waarbij één katalysator een bijbehorende chemische stof afbreekt, die dan een reactant wordt voor de volgende van de reeks katalytische reacties. Door verschillende reactanten toe te voegen en geschikte configuraties van het blad te ontwerpen, zijn verschillende acties mogelijk - in deze studie, een voorwerp inpakken, het maken van een klapperende beweging, en tuimelen over obstakels op een oppervlak.

Voorbeelden van zelfrijdende, chemisch actieve vellen. Krediet:Abhrajit Laskar

"Een microfluïdisch apparaat dat deze actieve vellen bevat, kan nu vitale functies uitvoeren, zoals vrachtvervoer, het grijpen van een zachte, delicaat voorwerp, of zelfs kruipen om een ​​oppervlak schoon te maken, "Zei Dr. Shklyaev. "Deze flexibele micromachines zetten chemische energie eenvoudig om in spontane herconfiguratie en beweging, waardoor ze een repertoire van nuttige banen kunnen volbrengen."

Dr. Laskar voegde eraan toe dat als het vel in de vorm van een bloem met vier bloembladen wordt gesneden en op het oppervlak van een microfluïdisch apparaat wordt geplaatst, de chemie van de bloembladen kan worden "geprogrammeerd" om afzonderlijk te openen en te sluiten, het creëren van poorten die logische bewerkingen uitvoeren, evenals het genereren van bepaalde vloeistofstromen om deeltjes door het apparaat te transporteren.

"Bijvoorbeeld, als een vangerhandschoen kun je de bloembladen van de bloem gebruiken om een ​​microscopisch kleine bal te vangen en deze voor een beperkte tijd vast te houden, start vervolgens een nieuwe chemische reactie op een andere set bloembladen, zodat de bal ertussen beweegt in een chemisch gestuurd vangspel, " Dr. Laskar legde uit. "Dit niveau van ruimtelijke en temporele controle zorgt voor gefaseerde reacties en analyses die je anders niet zou kunnen uitvoeren met niet-vervormbare materialen."

De groep experimenteerde ook met de plaatsing van de katalysator op verschillende delen van de plaat om specifieke bewegingen te creëren. In een experiment, het plaatsen van de katalysator op alleen het lichaam van het vel, in plaats van kop en staart, veroorzaakte een kruipende beweging die griezelig leek op de beweging van een inchworm. In een andere realisatie, wanneer obstakels voor de gecoate plaat werden geplaatst, het zou over het obstakel tuimelen en verder gaan, waardoor het een hobbelig terrein kan doorkruisen.

"Dit onderzoek geeft ons meer inzicht in hoe chemie autonoom kan rijden, spontane activering en voortbeweging in microfluïdische apparaten, " Dr. Balazs zei. "Onze volgende taak is om microfabricage te onderzoeken door de interactie en zelforganisatie van meerdere vellen te gebruiken om ze samen te brengen in specifieke architecturen die zijn ontworpen om complexe, gecoördineerde functies. Ook, door te experimenteren met verschillende prikkels zoals warmte en licht, we kunnen mobiel ontwerpen, 3D-micromachines die hun vorm en werking aanpassen aan veranderingen in de omgeving. Dit niveau van responsief gedrag is van vitaal belang voor het creëren van de volgende generatie zachte robotapparaten."