Animation från simulering som demonstrerar rumstidsstyrning av rotorer via en kaskadreaktion. GOx-belagd rotor (magenta) ligger på vänster sida av kammaren, medan CAT-belagd rotor (grön) ligger på höger sida. Bakgrundsfärgskarta indikerar rumslig fördelning av H 2 O 2 i lösningen vid y =3 mm för sidovyer och vid z =0,4 mm för toppvyer. Introduktion av D-glukos i lösningen aktiverar den GOx-belagda rotorn, som förvandlas till en 3D -struktur och börjar rotera spontant. CAT-belagd rotor förblir platt och stationär. H 2 O 2 produceras genom den första reaktionen, utgör det första steget i kaskadreaktionen. I närvaro av H 2 O 2 , CAT-belagd rotor blir aktiv och börjar rotera, medan den GOx-belagda rotorn blir platt och stationär när glukos i lösningen är utarmad. Med tid, H 2 O 2 i lösningen är också uttömd och följaktligen, rörelsen hos den CAT-belagda rotorn stannar och arket blir plant. Upphovsman:A. Laskar
Redskapet är ett av de äldsta mekaniska verktygen i mänsklighetens historia och ledde till maskiner som sträcker sig från tidiga bevattningssystem och klockor, till moderna motorer och robotik. För första gången, forskare vid University of Pittsburgh Swanson School of Engineering har utnyttjat en katalytisk reaktion som orsakar en tvådimensionell, kemiskt belagt ark för att spontant "förvandlas" till en tredimensionell växel som utför ihållande arbete.
Fynden indikerar potentialen att utveckla kemiskt drivna maskiner som inte förlitar sig på extern kraft, men helt enkelt kräver tillsats av reaktanter till den omgivande lösningen. Publicerad idag i Cell Press -tidningen Materia , forskningen utvecklades av Anna C. Balazs, Framstående professor i kemi- och petroleumsteknik och John A. Swanson ordförande i teknik. Huvudförfattare är Abhrajit Laskar och medförfattare är Oleg E. Shklyaev, båda postdoktorer.
"Växlar hjälper till att ge maskiner mekaniskt liv, men de kräver någon form av extern ström, såsom ånga eller el, att utföra en uppgift. Detta begränsar potentialen för framtida maskiner som arbetar i resursfattiga eller avlägsna miljöer, "Balazs förklarar." Abhrajits beräkningsmodellering har visat att kemo-mekanisk transduktion (omvandling av kemisk energi till rörelse) vid aktiva ark ger ett nytt sätt att replikera redskapens beteende i miljöer utan tillgång till traditionella kraftkällor. "
Animation från simulering som visar dynamiken hos ett CAT-belagt flexibelt ark i H 2 O 2 lösning. CAT immobiliserad på arket sönderdelar H 2 O 2 i värdlösningen för lättare produkter (vatten och syre), därigenom produceras spontana vätskeflöden. Dessa vätskor flödar i botten av den fluidiska domänen driver det flexibla 2D -arket att dyka upp i mitten (lättare än kantnoderna), bilda en idealisk 3D -struktur (se sidovy), som fångar flödet och roterar medurs. Upphovsman:A. Laskar
I simuleringarna, katalysatorer placeras vid olika punkter på ett tvådimensionellt ark som liknar ett hjul med ekrar, med tyngre noder på bladets omkrets. Det flexibla arket, ungefär en millimeter lång, placeras sedan i en vätskefylld mikrokammare. En reaktant tillsätts till kammaren som aktiverar katalysatorerna på det platta "hjulet", varigenom vätskan spontant flödar. Det inåtgående vätskeflödet driver de lättare delarna av arket att dyka upp, bildar en aktiv rotor som fångar flödet och roterar.
"Det som verkligen är utmärkande för denna forskning är kopplingen av deformation och framdrivning för att ändra objektets form för att skapa rörelse, "Laskar säger." Deformation av objektet är nyckeln; vi ser i naturen att organismer använder kemisk energi för att ändra form och rörelse. För att vårt kemiska ark ska röra sig, det måste också spontant förvandlas till en ny form, vilket gör det möjligt att fånga upp vätskeflödet och utföra sin funktion. "
Dessutom, Laskar och Shklyaev fann att inte alla växeldelar behövde vara kemiskt aktiva för att rörelse skulle kunna inträffa; faktiskt, asymmetri är avgörande för att skapa rörelse. Genom att bestämma designreglerna för placeringen, Laskar och Shklyaev kan rikta rotationen till medurs eller moturs. Detta tillagda "program" gjorde det möjligt för styrningen av oberoende rotorer att röra sig i följd eller i en kaskadeffekt, med aktiva och passiva växelsystem. Denna mer komplexa åtgärd styrs av ekrarnas inre struktur, och placeringen inom vätskedomänen.
Överföring av rotationsrörelse från ett aktivt växel till två passiva växlar. I en vätskekammare, en aktiv växel kan rotera flera passiva växlar, som placeras för att bryta flödesfältets symmetri. Upphovsman:A. Laskar
"Eftersom ett kugghjul är en central komponent i alla maskiner, du måste börja med grunderna, och det Abhrajit har skapat är som en förbränningsmotor i millimeterskalan, "Säger Shklyaev." Även om detta inte kommer att driva din bil, det ger potential att bygga de grundläggande mekanismerna för att köra småskaliga kemiska maskiner och mjuka robotar. "
I framtiden, Balazs kommer att undersöka hur den relativa rumsliga organisationen av flera växlar kan leda till större funktionalitet och potentiellt utforma ett system som verkar fungera som om det skulle fatta beslut.
"Ju mer avlägsen en maskin är från mänsklig kontroll, ju mer du behöver själva maskinen för att ge kontroll för att klara en given uppgift, "Sade Balazs." Den kemo-mekaniska karaktären hos våra enheter gör att det kan ske utan någon extern strömkälla. "
Dessa självförändrande kugghjul är den senaste utvecklingen av kemo-mekaniska processer som utvecklats av Balazs, Laskar, och Shklyaev. Andra framsteg inkluderar att skapa krabbliknande ark som efterliknar foder, flyg, och bekämpa svar; och lakan som liknar en "flygande matta" som lindas, flaxa, och krypa.
