Una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) muestra una microestructura de tetraedro de origami que se ha doblado después de haber sido expuesta al hidrógeno. Crédito: Universidad de Cornell
Los investigadores de Cornell han desarrollado una forma de usar reacciones químicas para máquinas de origami a microescala autoplegadas, lo que les permite trabajar en condiciones de temperatura ambiente seca. Este avance podría allanar el camino para la creación de pequeños dispositivos autónomos que respondan rápidamente a su entorno químico.
Una colaboración dirigida por Cornell ha aprovechado las reacciones químicas para hacer que las máquinas de origami a microescala se doblen, liberándolas de los líquidos en los que normalmente se ejecutan, para que puedan operar en entornos secos a temperatura ambiente.
El enfoque podría conducir algún día a la creación de una nueva flota de pequeños dispositivos autónomos que puedan responder rápidamente a su entorno químico.
El artículo del grupo, «Microaccionamiento en fase gaseosa usando estados superficiales controlados cinéticamente de láminas catalíticas ultrafinas», se publicó el 1 de mayo en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias. Los coautores principales del artículo son Nanqi Bao, Ph.D. ’22, y el ex investigador postdoctoral Qingkun Liu, Ph.D. ’22.
El proyecto fue dirigido por el autor principal Nicholas Abbott, profesor de la Universidad de Tisch en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular Robert F. Smith de Cornell Engineering, junto con Itai Cohen, profesor de física, y Paul McEuen, profesor de la Facultad de Física John A. Newman. Ciencias, tanto en la Facultad de Letras como en la Facultad de Ciencias; y David Muller, profesor de ingeniería Samuel B. Eckert en Cornell Engineering.
“Existen tecnologías muy buenas para convertir la energía eléctrica en energía mecánica, como el motor eléctrico, y los grupos de McEuen y Cohen mostraron una estrategia para hacerlo a microescala, con sus robots”, dijo Abbott. “Pero si busca transducciones directas de químico a mecánico, en realidad hay muy pocas opciones”.
Los esfuerzos anteriores se basaron en reacciones químicas que solo podían tener lugar en condiciones extremas, como altas temperaturas de varios 100 grados centígrados, y las reacciones a menudo eran tediosamente lentas, a veces hasta 10 minutos, lo que hacía que el enfoque fuera poco práctico para las aplicaciones tecnológicas cotidianas.
Sin embargo, el grupo de Abbott encontró una laguna al revisar los datos de un experimento de catálisis: una pequeña sección de la vía de la reacción química contenía pasos lentos y rápidos.
“Si observas la respuesta del actuador químico, no es que pase de un estado directamente al otro. De hecho, sufre una excursión a un estado doblado, una curvatura, que es más extrema que cualquiera de los dos estados finales», dijo Abbott. “Si comprende los pasos de reacción elementales en una vía catalítica, puede ingresar y extraer quirúrgicamente los pasos rápidos. Puede ejecutar su actuador químico en torno a estos pasos rápidos e ignorar el resto”.
Los investigadores necesitaban la plataforma de material adecuada para aprovechar este rápido impulso cinético, por lo que recurrieron a McEuen y Cohen, quienes trabajaron con Muller para desarrollar láminas de platino ultradelgadas recubiertas de titanio.
El grupo también colaboró con teóricos, dirigidos por el profesor Manos Mavrikakis, de la Universidad de Wisconsin, Madison, que utilizó cálculos de estructuras electrónicas para diseccionar la reacción química que se produce cuando el hidrógeno, adsorbido en el material, se expone al oxígeno.
Luego, los investigadores pudieron explotar el momento crucial en que el oxígeno elimina rápidamente el hidrógeno, lo que hace que el material atómicamente delgado se deforme y se doble, como una bisagra.
El sistema opera a 600 milisegundos por ciclo y puede operar a 20 grados centígrados, es decir, temperatura ambiente, en ambientes secos.
«El resultado es bastante generalizable», dijo Abbott. “Hay muchas reacciones catalíticas que se han desarrollado en base a todo tipo de especies. Entonces, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, amoníaco: todos son candidatos para ser utilizados como combustibles para actuadores accionados químicamente”.
El equipo planea aplicar la técnica a otros metales catalíticos, como el paladio y las aleaciones de paladio y oro. Eventualmente, este trabajo podría conducir a sistemas de materiales autónomos en los que los circuitos de control y la computación integrada estén impulsados por la respuesta del material, por ejemplo, un sistema químico autónomo que regula los flujos en función de la composición química.
“Estamos muy emocionados porque este trabajo allana el camino para las máquinas de origami a microescala que funcionan en ambientes gaseosos”, dijo Cohen.
Referencia: «Microaccionamiento en fase gaseosa utilizando estados superficiales controlados cinéticamente de láminas catalíticas ultrafinas» por 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 y Nicholas L. Abbott, 1 de mayo de 2023, Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073/pnas.2221740120
Los coautores incluyen al investigador postdoctoral Michael Reynolds, MS ’17, Ph.D. ’21; el estudiante de doctorado Wei Wang; Michael Cao’14; e investigadores de la Universidad de Wisconsin, Madison.
La investigación fue apoyada por el Centro de Investigación de Materiales de Cornell, que cuenta con el apoyo del programa MRSEC de la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército, la NSF, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y el Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala.
Los investigadores hicieron uso de Cornell NanoScale Facility, miembro de la Infraestructura Nacional Coordinada de Nanotecnología, que cuenta con el apoyo de la NSF; y recursos del Centro Nacional de Computación Científica para la Investigación de la Energía (NERSC, por sus siglas en inglés), que cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.
El proyecto es parte del programa de ingeniería de microsistemas y ciencia a nanoescala (NEXT Nano), diseñado para impulsar la ingeniería de ciencia y microsistemas a nanoescala al siguiente nivel de diseño, función e integración.
