Каталитические химические реакции превращают 2D-листы в мобильные 3D-объекты
Исследователи впервые применили каталитические химические реакции к 2D-листам, чтобы генерировать потоки, которые превращают эти листы в мобильные 3D-объекты.
Твердые частицы, покрытые катализатором, могут самопроизвольно генерировать потоки жидкости, которые, в свою очередь, передвигают частицы через жидкость. Если покрытый катализатором объект представлял собой деформируемый лист, то самогенерируемые потоки могут влиять не только на движение листа, но и на его форму.
Ученые обнаружили новое поведение, возникающее из ранее не изученной связи между активными, мягкими листами и окружающей жидкостью. Исследователи нанесли катализаторы на различные участки микроскопического листа (примерно величиной с толщину волоса) и при помощи реагентов инициировали различные движения этого листа.
Химически генерируемые потоки «ваяют» лист в различные формы, которые дают различные функциональные возможности. Они могут быть адаптированы путем изменения геометрии листа, нанесения рисунка на поверхность листа различными катализаторами и использования каскадов химических реакций.
Химически активные каталитические объекты в водных средах могут автономно выполнять различные жизненно важные функции. Простейшим из таких объектов является участок катализаторов, который иммобилизован на поверхности заполненного жидкостью микроканала. В присутствии соответствующих реагентов стационарный каталитический пластырь может действовать как «химический насос», управляя потоками жидкости, которые, в свою очередь, транспортируют химические вещества и погруженные частицы.
Однако потоки, создаваемые химическими насосами, не влияют на расположение или форму насоса. Мобильные химические насосы, такие как покрытые катализатором нано- и микроскопические частицы (то есть химические «двигатели»), могут совершать самоходные движения и, таким образом, самостоятельно восстанавливать поврежденные электрические цепи или действовать как активные системы доставки лекарств.
В случае химических двигателей, движение активных частиц влияет на поток жидкости, а поток, в свою очередь, влияет на положение частиц. Однако жидкость не меняет форму частицы. Гибкие листы, покрытые катализатором, представляют собой следующий уровень сложности, поскольку они предоставляют дополнительные степени свободы. Химически активные листы могут генерировать потоки жидкости, которые продвигают этот объект через раствор; однако теперь генерируемые потоки будут влиять не только на положение листа, но и на форму этого объекта.
Такие реконфигурируемые самоходные объекты значительно расширили бы возможности использования жидкостных устройств, позволяя им выполнять самостоятельные операции, которые ранее были недоступны с помощью стационарных химических насосов или активных твердых частиц. На сегодняшний день не было никаких теоретических или экспериментальных исследований химически активных гибких листов, запрограммированных для выполнения механической работы в окружающей жидкости.
Ученые разработали модель для микроскопических эластичных листов, покрытых катализатором, и показали, что химически генерируемые потоки вокруг листа «лепят» этот слой в различные формы, которые могут обеспечивать различные функциональные возможности. Эта функциональность может быть изменена путем изменения начальной формы листа, гибкости, расположения различных катализаторов на листе и палитры химических веществ, взаимодействующих с листом.
Ученые также продемонстрировали, как активные листы, контролируемо изгибаясь, могут захватывать частицы в растворе, выполнять простые логические операции в микрофлюидном устройстве (закрывание и открывание клапана), и подвергаться новым формам самоходного передвижения (кувыркаться или ползать) по поверхности.
Во всех этих случаях мягкие листы меняют форму и, таким образом, механически реагируют на создаваемые потоки.
Материалы, демонстрирующие механические реакции на раздражители, особенно важны для проектирования мягких робототехнических систем, которые могут самостоятельно приводиться в действие и передвигаться.
Источник: VistaNews
