Les réactions chimiques déclenchent la vie en soi

Sep 23, 2023

Par Cornell University26 mai 2023

Une image au microscope électronique à balayage (SEM) montre une microstructure de tétraèdres en origami qui s'est auto-pliée après avoir été exposée à l'hydrogène. Crédit : Université Cornell

Les chercheurs de Cornell ont mis au point un moyen d'utiliser des réactions chimiques pour l'auto-pliage de machines à origami à micro-échelle, leur permettant de travailler dans des conditions sèches et à température ambiante. Cette percée pourrait ouvrir la voie à la création de minuscules dispositifs autonomes qui réagissent rapidement à leur environnement chimique.

Une collaboration dirigée par Cornell a exploité des réactions chimiques pour faire en sorte que les machines à origami à micro-échelle se replient elles-mêmes, les libérant des liquides dans lesquels elles fonctionnent habituellement, afin qu'elles puissent fonctionner dans des environnements secs et à température ambiante.

L'approche pourrait un jour conduire à la création d'une nouvelle flotte de minuscules appareils autonomes capables de réagir rapidement à leur environnement chimique.

L'article du groupe, "Gas-Phase Microactuation Using Kinetically Controlled Surface States of Ultrathin Catalytic Sheets", a été publié le 1er mai dans Proceedings of the National Academy of Sciences. Les co-auteurs principaux de l'article sont Nanqi Bao, Ph.D. '22, et l'ancien chercheur postdoctoral Qingkun Liu, Ph.D. '22.

Le projet a été dirigé par l'auteur principal Nicholas Abbott, professeur à l'Université Tisch à la Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering de Cornell Engineering, avec Itai Cohen, professeur de physique, et Paul McEuen, professeur John A. Newman de Sciences physiques, à la fois au Collège des arts et des sciences; et David Muller, professeur d'ingénierie Samuel B. Eckert à Cornell Engineering.

"Il existe d'assez bonnes technologies pour la transduction de l'énergie électrique en énergie mécanique, comme le moteur électrique, et les groupes McEuen et Cohen ont montré une stratégie pour le faire à l'échelle microscopique, avec leurs robots", a déclaré Abbott. "Mais si vous recherchez des transductions chimiques directes vers des transductions mécaniques, il y a en fait très peu d'options."

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, et les réactions étaient souvent fastidieusement lentes – parfois jusqu'à 10 minutes – rendant l'approche impraticable pour les applications technologiques quotidiennes.

Cependant, le groupe d'Abbott a trouvé une sorte d'échappatoire lors de l'examen des données d'une expérience de catalyse : une petite section de la voie de réaction chimique contenait à la fois des étapes lentes et rapides.

"Si vous regardez la réponse de l'actionneur chimique, ce n'est pas qu'il passe directement d'un état à l'autre. Il passe en fait par une excursion dans un état plié, une courbure, qui est plus extrême que l'une ou l'autre des deux extrémités. États », a déclaré Abbott. "Si vous comprenez les étapes de réaction élémentaires dans une voie catalytique, vous pouvez entrer et en quelque sorte extraire chirurgicalement les étapes rapides. Vous pouvez faire fonctionner votre actionneur chimique autour de ces étapes rapides et ignorer le reste."

Les chercheurs avaient besoin de la bonne plate-forme matérielle pour tirer parti de ce moment cinétique rapide, ils se sont donc tournés vers McEuen et Cohen, qui avaient travaillé avec Muller pour développer des feuilles de platine ultrafines coiffées de titane.

Le groupe a également collaboré avec des théoriciens, dirigés par le professeur Manos Mavrikakis de l'Université du Wisconsin à Madison, qui a utilisé des calculs de structure électronique pour disséquer la réaction chimique qui se produit lorsque l'hydrogène - adsorbé sur le matériau - est exposé à l'oxygène.

Les chercheurs ont alors pu exploiter le moment crucial où l'oxygène dépouille rapidement l'hydrogène, provoquant la déformation et la flexion du matériau atomiquement mince, comme une charnière.

Le système s'actionne à 600 millisecondes par cycle et peut fonctionner à 20 degrés Celsius, c'est-à-dire à température ambiante, dans des environnements secs.

"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"}]"> espèces. Donc, le monoxyde de carbone, les oxydes d'azote, l'ammoniac : ils sont tous des candidats à utiliser comme carburants pour les actionneurs à entraînement chimique."

L'équipe prévoit d'appliquer la technique à d'autres métaux catalytiques, tels que le palladium et les alliages d'or et de palladium. À terme, ces travaux pourraient conduire à des systèmes de matériaux autonomes dans lesquels les circuits de contrôle et le calcul embarqué sont gérés par la réponse du matériau - par exemple, un système chimique autonome qui régule les flux en fonction de la composition chimique.

"Nous sommes vraiment excités parce que ce travail ouvre la voie à des machines à origami à micro-échelle qui fonctionnent dans des environnements gazeux", a déclaré Cohen.

Référence : "Microactuation en phase gazeuse utilisant des états de surface cinétiquement contrôlés de feuilles catalytiques ultra-minces" par 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 et Nicholas L. Abbott, 1er mai 2023, Actes de l'Académie nationale des sciences

Les co-auteurs incluent le chercheur postdoctoral Michael Reynolds, MS '17, Ph.D. '21; le doctorant Wei Wang ; Michael Cao '14; et des chercheurs de l'Université du Wisconsin à Madison.

La recherche a été soutenue par le Cornell Center for Materials Research, qui est soutenu par le programme MRSEC de la National Science Foundation, le Army Research Office, la NSF, le Air Force Office of Scientific Research et le Kavli Institute de Cornell for Nanoscale Science.

Les chercheurs ont utilisé la Cornell NanoScale Facility, membre de la National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, qui est soutenue par la NSF ; et les ressources du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), qui est soutenu par le Bureau des sciences du Département américain de l'énergie.

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"}]">la science à l'échelle nanométrique et l'ingénierie des microsystèmes au niveau supérieur de conception, de fonction et d'intégration.