Animación de la simulación que demuestra el control espacio-temporal de los rotores a través de una reacción en cascada. El rotor recubierto de GOx (magenta) se encuentra en el lado izquierdo de la cámara, mientras que el rotor recubierto de CAT (verde) se encuentra en el lado derecho. El mapa de color de fondo indica la distribución espacial de H 2 O 2 en la solución en y =3 mm para vistas laterales y en z =0,4 mm para vistas superiores. La introducción de D-glucosa en la solución activa el rotor recubierto de GOx, que se transforma en una estructura 3D y comienza a rotar espontáneamente. El rotor recubierto de CAT permanece plano y estacionario. H 2 O 2 es producido por la primera reacción, constituyendo el primer paso de la reacción en cascada. En presencia de H 2 O 2 , El rotor recubierto de CAT se activa y comienza a girar, mientras que el rotor recubierto con GOx se vuelve plano y estacionario a medida que se agota la glucosa en la solución. Con tiempo, H 2 O 2 en la solución también se agota y, en consecuencia, el movimiento del rotor recubierto de CAT se detiene y la hoja se vuelve plana. Crédito:A. Laskar
El engranaje es una de las herramientas mecánicas más antiguas en la historia de la humanidad y condujo a máquinas que van desde los primeros sistemas de riego y relojes, a motores modernos y robótica. Por primera vez, investigadores de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh han utilizado una reacción catalítica que provoca una hoja con revestimiento químico para "transformarse" espontáneamente en un engranaje tridimensional que realiza un trabajo sostenido.
Los hallazgos indican el potencial para desarrollar máquinas impulsadas químicamente que no dependan de energía externa, pero simplemente requieren la adición de reactivos a la solución circundante. Publicado hoy en la revista Cell Press Importar , la investigación fue desarrollada por Anna C. Balazs, Profesor Distinguido de Ingeniería Química y del Petróleo y Cátedra de Ingeniería John A. Swanson. El autor principal es Abhrajit Laskar y el coautor es Oleg E. Shklyaev, ambos asociados postdoctorales.
"Los engranajes ayudan a dar vida mecánica a las máquinas; sin embargo, requieren algún tipo de energía externa, como vapor o electricidad, para realizar una tarea. Esto limita el potencial de las futuras máquinas que operan en entornos remotos o con pocos recursos, Balazs explica. "El modelado computacional de Abhrajit ha demostrado que la transducción quimio-mecánica (conversión de energía química en movimiento) en láminas activas presenta una forma novedosa de replicar el comportamiento de los engranajes en entornos sin acceso a fuentes de energía tradicionales".
Animación de simulación que demuestra la dinámica de una hoja flexible con recubrimiento CAT en H 2 O 2 solución. CAT inmovilizado en la hoja se descompone H 2 O 2 en la solución huésped a productos más ligeros (agua y oxígeno), produciendo así flujos de fluidos espontáneos. Estos fluidos fluidos en la parte inferior del dominio fluídico hacen que la hoja flexible 2D emerja en el centro (más liviana que los nodos del borde), formando una estructura 3D ideal (ver vista lateral), que capta el flujo y gira en el sentido de las agujas del reloj. Crédito:A. Laskar
En las simulaciones, los catalizadores se colocan en varios puntos en una hoja bidimensional que se asemeja a una rueda con radios, con nudos más pesados en la circunferencia de la hoja. La hoja flexible, aproximadamente un milímetro de longitud, luego se coloca en una microcámara llena de líquido. Se agrega un reactivo a la cámara que activa los catalizadores en la "rueda" plana, provocando así que el fluido fluya espontáneamente. El flujo de fluido hacia adentro impulsa las secciones más ligeras de la hoja a emerger, formando un rotor activo que capta el flujo y gira.
"Lo realmente distintivo de esta investigación es el acoplamiento de la deformación y la propulsión para modificar la forma del objeto para crear movimiento, "Dice Laskar." La deformación del objeto es clave; vemos en la naturaleza que los organismos usan energía química para cambiar su forma y moverse. Para que nuestra hoja química se mueva, también tiene que transformarse espontáneamente en una nueva forma, lo que le permite captar el flujo de fluido y realizar su función ".
Adicionalmente, Laskar y Shklyaev encontraron que no todas las partes de los engranajes debían ser químicamente activas para que ocurriera el movimiento; De hecho, la asimetría es crucial para crear movimiento. Al determinar las reglas de diseño para la ubicación, Laskar y Shklyaev podrían dirigir la rotación en sentido horario o antihorario. Este "programa" añadido permitió que el control de rotores independientes se moviera secuencialmente o en un efecto de cascada, con sistemas de engranajes activos y pasivos. Esta acción más compleja está controlada por la estructura interna de los radios, y la ubicación dentro del dominio fluido.
Transmisión del movimiento de rotación de un engranaje activo a dos engranajes pasivos. En una cámara fluídica, un engranaje activo puede girar varios engranajes pasivos, que se colocan para romper la simetría del campo de flujo. Crédito:A. Laskar
"Dado que un engranaje es un componente central de cualquier máquina, debes comenzar con lo básico, y lo que ha creado Abhrajit es como un motor de combustión interna a escala milimétrica, ", Dice Shklyaev." Si bien esto no alimentará su automóvil, presenta el potencial para construir los mecanismos básicos para impulsar máquinas químicas a pequeña escala y robots blandos ".
En el futuro, Balazs investigará cómo la organización espacial relativa de múltiples engranajes puede conducir a una mayor funcionalidad y potencialmente al diseño de un sistema que parece actuar como si estuviera tomando decisiones.
"Cuanto más alejada está una máquina del control humano, cuanto más necesite la propia máquina para proporcionar control a fin de completar una tarea determinada, Balazs dijo:"La naturaleza quimio-mecánica de nuestros dispositivos permite que eso suceda sin ninguna fuente de energía externa".
Estos engranajes automorphing son la última evolución de los procesos quimio-mecánicos desarrollados por Balazs, Laskar, y Shklyaev. Otros avances incluyen la creación de láminas con forma de cangrejo que imitan la alimentación, vuelo, y luchar contra las respuestas; y sábanas que se asemejan a una "alfombra voladora" que envuelven, solapa, y arrastrarse.
