Cambio de marchas hacia máquinas químicas
El engranaje es una de las herramientas mecánicas más antiguas de la historia de la humanidad.1 y condujo a máquinas que van desde los primeros sistemas de riego y relojes hasta motores modernos y robótica. Por primera vez, los investigadores de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh han utilizado una reacción catalítica que hace que una hoja bidimensional con revestimiento químico se “meta” espontáneamente en un engranaje tridimensional que realiza un trabajo sostenido.
Los hallazgos indican el potencial para desarrollar máquinas impulsadas químicamente que no dependen de energía externa, sino que simplemente requieren la adición de reactivos a la solución circundante. Publicado el 18 de diciembre de 2020 en la revista Cell Press Importar, la investigación fue desarrollada por Anna C. Balazs, Profesora Distinguida de Ingeniería Química y del Petróleo y la Cátedra de Ingeniería John A. Swanson. El autor principal es Abhrajit Laskar y el coautor es Oleg E. Shklyaev, ambos asociados postdoctorales.
Animación de simulación que demuestra el control espacio-temporal de los rotores mediante una reacción en cascada. El rotor revestido con GOx (magenta) se encuentra en el lado izquierdo de la cámara, mientras que el rotor revestido con CAT (verde) se encuentra en el lado derecho. El mapa de color de fondo indica la distribución espacial del H2O2 en la solución en y = 3 mm para las vistas laterales y en z = 0,4 mm para las vistas superiores. La introducción de D-glucosa en la solución activa el rotor recubierto de GOx, que se transforma en una estructura 3D y comienza a girar espontáneamente. El rotor recubierto de CAT permanece plano y estacionario. El H2O2 es producido por la primera reacción, constituyendo el primer paso de la reacción en cascada. En presencia de H2O2, el rotor recubierto de CAT se activa y comienza a girar, mientras que el rotor recubierto de GOx se vuelve plano y estacionario a medida que se agota la glucosa en la solución. Con el tiempo, el H2O2 de la solución también se agota y, en consecuencia, el movimiento del rotor recubierto de CAT se detiene y la hoja se vuelve plana. Crédito: A. Laskar
“Los engranajes ayudan a dar vida mecánica a las máquinas; sin embargo, requieren algún tipo de energía externa, como vapor o electricidad, para realizar una tarea. Esto limita el potencial de las futuras máquinas que operan en entornos remotos o con pocos recursos ”, explica Balazs. “El modelado computacional de Abhrajit ha demostrado que la transducción quimio-mecánica (conversión de energía química en movimiento) en hojas activas presenta una forma novedosa de replicar el comportamiento de los engranajes en entornos sin acceso a fuentes de energía tradicionales”.
En las simulaciones, los catalizadores se colocan en varios puntos en una hoja bidimensional que se asemeja a una rueda con radios, con nodos más pesados en la circunferencia de la hoja. La hoja flexible, de aproximadamente un milímetro de longitud, se coloca luego en una microcámara llena de líquido. Se agrega un reactivo a la cámara que activa los catalizadores en la “rueda” plana, lo que hace que el fluido fluya espontáneamente. El flujo de fluido hacia adentro impulsa las secciones más ligeras de la hoja para que emerjan, formando un rotor activo que atrapa el flujo y gira.
Animación de simulación que demuestra la dinámica de una lámina flexible con revestimiento CAT en solución H2O2. El CAT inmovilizado en la hoja descompone el H2O2 en la solución huésped en productos más ligeros (agua y oxígeno), produciendo así flujos de fluidos espontáneos. Estos fluidos fluidos en la parte inferior del dominio fluídico hacen que la hoja flexible 2D emerja en el centro (más liviana que los nodos del borde), formando una estructura 3D ideal (ver vista lateral), que atrapa el flujo y gira en el sentido de las agujas del reloj. . Crédito: A. Laskar
“Lo que es realmente distintivo de esta investigación es el acoplamiento de la deformación y la propulsión para modificar la forma del objeto para crear movimiento”, dice Laskar. “La deformación del objeto es clave; vemos en la naturaleza que los organismos usan energía química para cambiar su forma y moverse. Para que nuestra lámina química se mueva, también tiene que transformarse espontáneamente en una nueva forma, lo que le permite atrapar el flujo de fluido y realizar su función “.
Además, Laskar y Shklyaev encontraron que no todas las partes del engranaje debían ser químicamente activas para que ocurriera el movimiento; de hecho, la asimetría es crucial para crear movimiento. Al determinar las reglas de diseño para la ubicación, Laskar y Shklyaev podrían dirigir la rotación en sentido horario o antihorario. Este “programa” agregado permitió el control de rotores independientes para moverse secuencialmente o en un efecto de cascada, con sistemas de engranajes activos y pasivos. Esta acción más compleja está controlada por la estructura interna de los radios y la ubicación dentro del dominio fluido.
Transmisión del movimiento de rotación de un engranaje activo a dos engranajes pasivos. En una cámara fluídica, un engranaje activo puede rotar múltiples engranajes pasivos, que se colocan para romper la simetría del campo de flujo. Crédito: A. Laskar
“Debido a que un engranaje es un componente central de cualquier máquina, es necesario comenzar con lo básico, y lo que Abhrajit ha creado es como un motor de combustión interna a escala milimétrica”, dice Shklyaev. “Si bien esto no impulsará su automóvil, presenta el potencial para construir los mecanismos básicos para conducir máquinas químicas a pequeña escala y robots blandos”.
En el futuro, Balazs investigará cómo la organización espacial relativa de múltiples engranajes puede conducir a una mayor funcionalidad y potencialmente diseñar un sistema que parece actuar como si estuviera tomando decisiones.
“Cuanto más alejada está una máquina del control humano, más se necesita la máquina en sí para proporcionar control a fin de completar una tarea determinada”, dijo Balazs. “La naturaleza quimio-mecánica de nuestros dispositivos permite que eso suceda sin ninguna fuente de alimentación externa”.
Estos engranajes auto-transformables son la última evolución de los procesos quimio-mecánicos desarrollados por Balazs, Laskar y Shklyaev. Otros avances incluyen la creación de láminas con forma de cangrejo que imitan las respuestas de alimentación, huida y lucha; y sábanas que se asemejan a una “alfombra voladora” que se envuelven, se agitan y se arrastran.
Referencia: “Engranajes y máquinas auto-transformables, accionados químicamente” por Abhrajit Laskar, Oleg E. Shklyaev y Anna C. Balazs, 18 de diciembre de 2020, Importar.
DOI: 10.1016 / j.matt.2020.11.04
