Os engenheiros constroem rodas acionadas quimicamente que se transformam em engrenagens para realizar trabalho mecânico
p Animação de simulação demonstrando o controle espaço-temporal de rotores por meio de uma reação em cascata. O rotor revestido com GOx (magenta) fica no lado esquerdo da câmara, enquanto o rotor revestido com CAT (verde) fica no lado direito. O mapa de cores de fundo indica a distribuição espacial de H 2 O 2 na solução em y =3mm para vistas laterais e em z =0,4 mm para vistas superiores. A introdução de D-glicose na solução ativa o rotor revestido com GOx, que se transforma em uma estrutura 3D e começa a girar espontaneamente. O rotor revestido com CAT permanece plano e estacionário. H 2 O 2 é produzido pela primeira reação, constituindo a primeira etapa da reação em cascata. Na presença de H 2 O 2 , O rotor revestido com CAT torna-se ativo e começa a girar, enquanto o rotor revestido com GOx se torna plano e estacionário conforme a glicose na solução se esgota. Com tempo, H 2 O 2 na solução também está esgotada e, consequentemente, o movimento do rotor revestido com CAT pára e a folha torna-se plana. Crédito:A. Laskar
p A engrenagem é uma das ferramentas mecânicas mais antigas da história da humanidade e levou a máquinas que vão desde os primeiros sistemas de irrigação e relógios, para motores modernos e robótica. Pela primeira vez, pesquisadores da Escola de Engenharia Swanson da Universidade de Pittsburgh utilizaram uma reação catalítica que causa uma folha quimicamente revestida para se "transformar" espontaneamente em uma engrenagem tridimensional que executa um trabalho contínuo. p Os resultados indicam o potencial para desenvolver máquinas acionadas quimicamente que não dependem de energia externa, mas simplesmente requerem a adição de reagentes à solução circundante. Publicado hoje na revista Cell Press
Matéria , a pesquisa foi desenvolvida por Anna C. Balazs, Distinto Professor de Engenharia Química e de Petróleo e da Cátedra John A. Swanson de Engenharia. O autor principal é Abhrajit Laskar e o co-autor é Oleg E. Shklyaev, ambos associados pós-doutorado.
p "As engrenagens ajudam a dar vida mecânica às máquinas; no entanto, eles requerem algum tipo de energia externa, como vapor ou eletricidade, para realizar uma tarefa. Isso limita o potencial de futuras máquinas operando em ambientes remotos ou com poucos recursos, "Balazs explica." A modelagem computacional de Abhrajit mostrou que a transdução quimio-mecânica (conversão de energia química em movimento) em folhas ativas apresenta uma nova maneira de replicar o comportamento das engrenagens em ambientes sem acesso às fontes de energia tradicionais. "
p Animação de simulação demonstrando a dinâmica de uma folha flexível revestida por CAT em H 2 O 2 solução. CAT imobilizado na folha decompõe H 2 O 2 na solução hospedeira para produtos mais leves (água e oxigênio), produzindo assim fluxos de fluido espontâneos. Esses fluxos de fluido na parte inferior do domínio fluídico conduzem a folha flexível 2D para aparecer no centro (mais leve do que os nós de borda), formando uma estrutura 3D ideal (ver vista lateral), que captura o fluxo e gira no sentido horário. Crédito:A. Laskar
p Nas simulações, catalisadores são colocados em vários pontos em uma folha bidimensional semelhante a uma roda com raios, com nós mais pesados na circunferência da folha. A folha flexível, aproximadamente um milímetro de comprimento, é então colocado em uma microcâmara cheia de fluido. Um reagente é adicionado à câmara que ativa os catalisadores na "roda" plana, fazendo com que o fluido flua espontaneamente. O fluxo de fluido para dentro leva as seções mais leves da folha a aparecer, formando um rotor ativo que captura o fluxo e gira.
p "O que é realmente distinto sobre esta pesquisa é o acoplamento de deformação e propulsão para modificar a forma do objeto para criar movimento, "Laskar diz." A deformação do objeto é a chave; vemos na natureza que os organismos usam energia química para mudar sua forma e se mover. Para que nossa folha química se mova, ele também precisa se transformar espontaneamente em uma nova forma, o que permite que ele capture o fluxo de fluido e execute sua função. "
p Adicionalmente, Laskar e Shklyaev descobriram que nem todas as peças da engrenagem precisavam ser quimicamente ativas para que o movimento ocorresse; na verdade, a assimetria é crucial para criar movimento. Ao determinar as regras de design para a colocação, Laskar e Shklyaev podiam direcionar a rotação no sentido horário ou anti-horário. Este "programa" adicionado permitiu que o controle de rotores independentes se movessem sequencialmente ou em um efeito cascata, com sistemas de engrenagem ativa e passiva. Esta ação mais complexa é controlada pela estrutura interna dos raios, e a colocação dentro do domínio fluido.
p Transmissão do movimento rotacional de uma engrenagem ativa para duas engrenagens passivas. Em uma câmara fluídica, uma engrenagem ativa pode girar várias engrenagens passivas, que são colocados para quebrar a simetria do campo de fluxo. Crédito:A. Laskar
p "Como uma engrenagem é um componente central de qualquer máquina, você precisa começar com o básico, e o que Abhrajit criou é como um motor de combustão interna na escala milimétrica, "Shklyaev diz." Embora isso não dê energia ao seu carro, apresenta o potencial para construir os mecanismos básicos para conduzir máquinas químicas de pequena escala e robôs leves. "
p No futuro, Balazs investigará como a organização espacial relativa de várias engrenagens pode levar a uma maior funcionalidade e, potencialmente, projetar um sistema que parece agir como se estivesse tomando decisões.
p "Quanto mais remota uma máquina está do controle humano, quanto mais você precisa da própria máquina para fornecer controle a fim de completar uma determinada tarefa, "Balazs disse." A natureza quimio-mecânica de nossos dispositivos permite que isso aconteça sem qualquer fonte de energia externa. "
p Essas engrenagens que se transformam em si mesmas são a evolução mais recente dos processos quimio-mecânicos desenvolvidos por Balazs, Laskar, e Shklyaev. Outros avanços incluem a criação de folhas semelhantes a caranguejos que imitam a alimentação, voo, e lutar contra as respostas; e lençóis semelhantes a um "tapete voador" que envolvem, aba, e creep.
