O "tapete mágico" apresentado em contos de "Mil e uma noites" a "Aladim" da Disney captura a imaginação não apenas porque pode voar, mas porque também pode ondular, aba, e alterar sua forma para servir a seus cavaleiros. Com essa inspiração, e a assistência de reações químicas catalíticas em soluções, uma equipe da Swanson School of Engineering da University of Pittsburgh projetou um modelo bidimensional folha de mudança de forma que se move de forma autônoma em um fluido cheio de reagente.

O artigo, "Projetando autopropulsado, folhas quimicamente ativas:Wrappers, melindrosas e trepadeiras, "foi publicado recentemente no jornal AAAS Avanços da Ciência . O investigador principal é Anna C. Balazs, a cadeira John A. Swanson e ilustre professor de Engenharia Química e de Petróleo na Swanson School. O autor principal é Abhrajit Laskar, e o co-autor é Oleg E. Shklyaev, ambos associados pós-doutorado.

"Há muito tempo é um desafio para a química criar um objeto não vivo que se move por conta própria dentro de um ambiente, que por sua vez altera a forma do objeto, permitindo-lhe realizar novas tarefas, como prender outros objetos, "Dr. Balazs explicou." Os pesquisadores já haviam feito adesivos quimicamente ativos em uma superfície que poderia gerar fluxo de fluido, mas o fluxo não influenciou a localização ou a forma do remendo. E em nosso próprio laboratório modelamos partículas esféricas e retangulares que podem se mover de forma autônoma dentro de uma microcâmara cheia de fluido. Mas agora temos este sistema integrado que utiliza uma reação química para ativar o movimento do fluido que simultaneamente transporta um objeto flexível e "esculpe" sua forma, e tudo acontece de forma autônoma. "

O grupo realizou essa façanha de autopropulsão e reconfiguração com a introdução de um revestimento de catalisadores na folha flexível, que tem aproximadamente a largura de um cabelo humano. A adição de reagentes ao fluido circundante inicia tanto o movimento do tapete quanto as mudanças em sua forma. "Até onde sabemos, esta é a primeira vez que essas reações químicas catalíticas foram aplicadas a folhas 2-D para gerar fluxos que transformam essas folhas em móveis, Objetos 3-D, "Dr. Balazs disse.

Avançar, colocando diferentes catalisadores em áreas específicas da folha e controlando a quantidade e o tipo de reagentes no fluido, o grupo criou uma cascata útil de reações catalíticas onde um catalisador quebra um produto químico associado, que então se torna um reagente para o próximo conjunto de reações catalíticas. Adicionar diferentes reagentes e projetar configurações apropriadas da folha permite uma variedade de ações - neste estudo, envolvendo um objeto, fazendo um movimento de bater as asas, e tropeçar em obstáculos em uma superfície.

"Um dispositivo microfluídico que contém essas folhas ativas agora pode realizar funções vitais, como transporte de carga, pegando um soft, objeto delicado, ou até mesmo se arrastando para limpar uma superfície, "Dr. Shklyaev disse." Essas micro-máquinas flexíveis simplesmente convertem energia química em reconfiguração e movimento espontâneos, o que lhes permite realizar um repertório de trabalhos úteis. "

O Dr. Laskar acrescentou que, se a folha for cortada no formato de uma flor de quatro pétalas e colocada na superfície de um dispositivo microfluídico, a química das pétalas pode ser "programada" para abrir e fechar individualmente, criando portas que realizam operações lógicas, bem como gerar fluxos de fluido específicos para transportar partículas em todo o dispositivo.

"Por exemplo, como uma luva de apanhador, você pode usar as pétalas da flor para prender uma bola microscópica e mantê-la por um tempo finito, em seguida, inicie uma nova reação química em um conjunto diferente de pétalas de modo que a bola se mova entre elas em um jogo de pega quimicamente direcionado, "Dr. Laskar explicou." Este nível de controle espacial e temporal permite reações e análises em estágios que você não poderia executar de outra forma com materiais não deformáveis. "

O grupo também experimentou a colocação do catalisador em diferentes partes da folha para criar movimentos específicos. Em um experimento, colocar o catalisador apenas no corpo da folha, ao invés da cabeça e cauda, desencadeou um movimento rastejante assustadoramente semelhante ao movimento de uma lagarta. Em outra realização, quando os obstáculos foram colocados na frente da folha revestida, iria cair sobre o obstáculo e continuar se movendo, permitindo que atravesse um terreno acidentado.

"Esta pesquisa nos dá uma visão mais aprofundada de como a química pode conduzir à autonomia, atuação espontânea e locomoção em dispositivos microfluídicos, "Dr. Balazs disse." Nossa próxima tarefa é explorar a microfabricação usando a interação e auto-organização de múltiplas folhas para reuni-las em arquiteturas específicas projetadas para executar complexas, funções coordenadas. Também, experimentando diferentes estímulos, como calor e luz, podemos projetar dispositivos móveis, Micro-máquinas 3-D que adaptam sua forma e ação às mudanças no ambiente. Este nível de comportamento responsivo é vital para a criação da próxima geração de dispositivos robóticos soft. "