(PhysOrg.com) - Mide solo 3.6 micrómetros de largo, una de las baterías más pequeñas jamás fabricadas no alimentará nuestros dispositivos electrónicos en el corto plazo, pero sirve como un nanomotor autoamplificado que es sorprendentemente rápido y eficiente. Por último, el motor basado en nanobaterías podría utilizarse como nanomáquina y para transportar carga para aplicaciones biomédicas.

Los investigadores, El Dr. Ran Liu y el Prof. Ayusman Sen del Departamento de Química de la Universidad Estatal de Pensilvania, han publicado su estudio sobre el motor basado en nanobaterías en un número reciente de la Revista de la Sociedad Química Estadounidense LO ANTES POSIBLE.

La nanobatería consta de un solo nanoalambre con un extremo de cobre de 3 micrómetros de largo y un extremo de platino de 600 nanómetros de largo. Cuando la nanobatería se coloca en una solución diluida de oxidante (como bromo o yodo), el extremo de cobre sirve como ánodo y se oxida, mientras que el extremo de platino funciona como cátodo. A medida que la nanobatería se descarga en la solución, el fenómeno de la electroforesis se activa, de modo que el campo eléctrico generado por las reacciones redox de la batería hace que la batería se mueva.

“El núcleo científico de este hallazgo es que una nanobatería en cortocircuito (por ejemplo, nanovarilla segmentada de cobre-platino) se puede mover por autoelectroforesis como resultado de la oxidación y reducción que ocurren, respectivamente, en los dos metales, "Liu dijo PhysOrg.com . "La corriente generada se puede convertir directamente en fuerza mecánica".

Este fenómeno de autoelectroforesis impulsa el dispositivo a velocidades de más de 10 micrones (tres veces su longitud) por segundo. Ese es el equivalente aproximado de una lancha a motor de 5 metros (16 pies) que se mueve a 54 kilómetros por hora (33,5 millas por hora) a través del agua.

"En este caso, la dirección del movimiento del nanomotor es aleatoria en escalas de tiempo largas, "Dijo Liu. “Se puede controlar potencialmente. Por ejemplo, si incorporamos un segmento de metal magnético en la nanobatería, podemos controlar su dirección de movimiento mediante un campo magnético ".

El nanomotor opera continuamente hasta que el segmento de cobre es completamente oxidado por el bromo o convertido en yoduro de cobre por el yodo. Su vida por lo tanto, depende tanto de la longitud del segmento de cobre como de la concentración del oxidante. En sus experimentos, los investigadores observaron la vida útil de las nanobaterías de entre 40 segundos y 1 minuto al cambiar estas variables. (La longitud del segmento de cobre se puede controlar mediante su tiempo de electrodeposición durante la fabricación). Los investigadores encontraron que la velocidad del nanomotor también depende de la longitud del segmento de cobre, donde un segmento de cobre más corto proporciona una velocidad más alta pero una vida útil reducida.

Además, los investigadores demostraron que podían hacer que el nanomotor funcionara como un rotor de cobre solo puliendo un lado, causando que se deforme en forma de "trinquete". Esta nanovarilla asimétrica podría girar a velocidades extremadamente rápidas de aproximadamente 170 rpm en bromo. Los científicos explicaron que la forma asimétrica genera un par (o torsión) que hace que la varilla gire.

El nuevo nanomotor tiene algunas ventajas sobre otros nanomotores autoalimentados. Por ejemplo, los investigadores construyeron previamente un nanomotor de oro y platino que usaba peróxido de hidrógeno como combustible. Sin embargo, este nanomotor producía burbujas de oxígeno que dificultaban su estudio y tenía una eficiencia menor que el nuevo nanomotor de cobre y platino. Los investigadores atribuyen la eficiencia mejorada del nuevo nanomotor a su combustible electrolítico, todo o la mayor parte del cual se utiliza para generar una corriente que luego se convierte directamente en fuerza mecánica. A diferencia de, la mayor parte del combustible del nanomotor de oro y platino se desperdicia en el extremo de platino y no se utiliza para generar corriente.

“Nuestro estudio confirma la generalidad de la autoelectroforesis como un mecanismo para el movimiento micro / nanomotor y sugiere que prácticamente cualquier reacción redox que ocurra asimétricamente en una micro / nanoestructura apropiada puede emplearse en el diseño de sistemas autoamplificados, "Dijo Liu.

Al demostrar que la autoelectroforesis de una nanobatería puede proporcionar propulsión para permitir que la nanobatería funcione como un nanomotor, los investigadores esperan que los resultados actuales conduzcan a futuros nanomotores con un diseño similar pero que utilicen materiales diferentes. Por ejemplo, se pueden utilizar otros pares de metales, y se podrían investigar diferentes aplicaciones.

"En principio, los nanomotores se pueden utilizar para transportar y entregar carga activamente, como las drogas, etc., "Dijo Liu. "En el futuro, tenemos que encontrar más respetuosos con el medio ambiente, y especialmente biocompatible, sistemas de combustible. Otro desafío pendiente es el diseño de micro / nanobaterías móviles que se pueden recargar y utilizar repetidamente ".

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