观速讯丨化学反应可以直接为自折式微型折纸装置注入动力

来源：cnBeta 　2023-05-26 20:43:50

康奈尔大学的研究人员已经设计出一种方法，利用化学反应来实现微型折纸装置的自我折叠，使它们能够在干燥、室温条件下工作。这一突破可能为创造微小的、自主的设备铺平道路，这些设备能对其周围的化学环境做出快速反应。

康奈尔大学领导的一项合作利用化学反应使微型折纸机自我折叠--将它们从通常运作的液体中解放出来，因此它们可以在干燥环境和室温下运作。

这种方法有一天可能会发展出一个微型自主设备群体，能够对其化学环境做出快速反应。

(资料图片仅供参考)

该小组的论文《利用超薄催化片的动力学控制的表面状态进行气相微动》于5月1日发表在《美国国家科学院院刊》。该论文的共同主要作者是22岁的博士鲍南琪和22岁的前博士后研究员刘庆坤。

该项目由资深作者Nicholas Abbott领导，他是康奈尔工程学院Robert F. Smith化学和生物分子工程学院的Tisch大学教授，同时还有物理学教授Itai Cohen和John A. Newman物理科学教授Paul McEuen，他们都在文理学院；以及康奈尔工程学院Samuel B. Eckert工程教授David Muller。

Abbott说："目前已经有相当好的电能到机械能的转换技术，如电动机，麦克尤恩和科恩小组已经用他们的机器人展示了在微观上实现的策略，但是如果你寻找直接的化学到机械的转换，实际上选择非常少。"

之前的努力依赖于只能在极端条件下发生的化学反应，例如在几百摄氏度的高温下，而且反应往往繁琐缓慢--有时长达10分钟--使得这种方法对于日常技术应用不切实际。

然而，阿伯特的研究小组在审查一个催化实验的数据时发现了某种漏洞：化学反应途径的一小部分同时包含了慢速和快速步骤。

"如果你看一下化学执行器的反应，并不是说它从一种状态直接进入另一种状态。它实际上经历了一次进入弯曲状态的游移，一个曲率，它比两个终端状态中的任何一个都更极端，"Abbott说。"如果你了解催化途径中的基本反应步骤，你可以进入并以外科手术的方式提取出快速步骤。你可以围绕这些快速步骤操作你的化学执行器，而忽略它的其余部分。"

研究人员需要合适的材料平台来利用这种快速动能，因此他们求助于McEuen和Cohen，他们曾与Muller合作开发了以钛为盖的超薄铂金片。

该小组还与麦迪逊威斯康星大学的Manos Mavrikakis教授领导的理论家合作，他们使用电子结构计算来剖析当吸附在材料上的氢气暴露于氧气时发生的化学反应。

然后，研究人员能够利用氧气迅速剥离氢气的关键时刻，使原子级薄的材料变形和弯曲，就像一个铰链。该系统以每周期600毫秒的速度启动，可以在20摄氏度--即室温--的干燥环境中运行。

这个结果是相当普遍的，我们知道许多催化反应可以被诱发，这些反应是在各种物种的基础上发展起来的。因此，一氧化碳、氮氧化物、氨气：它们都是作为化学驱动执行器的燃料的候选者。

该团队预计将该技术应用于其他催化金属，如钯和钯金合金。最终，这项工作可能带来全新的自主材料系统，其中控制电路和机载计算由材料的反应来处理--例如，一个自主化学系统，根据化学成分来调节流量。

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