化学反応が自己に生命を吹き込む

Jun 13, 2023

コーネル大学 2023 年 5 月 26 日

走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像は、水素にさらされた後に自己折り畳まれた折り紙の四面体の微細構造を示しています。 クレジット: コーネル大学

コーネル大学の研究者らは、マイクロスケールの折り紙機械の自己折り畳みに化学反応を利用する方法を考案し、乾燥した室温条件で動作できるようにしました。 この画期的な進歩により、周囲の化学物質に迅速に反応する小型の自律型デバイスの作成への道が開かれる可能性があります。

コーネル大学主導の共同研究では、化学反応を利用してマイクロスケールの折り紙機械を自己折り畳みさせ、通常動作する液体から機械を解放し、乾燥した環境や室温でも動作できるようにしました。

このアプローチは、いつか化学環境に迅速に反応できる小型自律デバイスの新しいフリートの作成につながる可能性があります。

同グループの論文「極薄触媒シートの運動学的に制御された表面状態を使用した気相マイクロアクチュエーション」は、5月1日に米国科学アカデミー紀要に掲載された。 この論文の共同主執筆者は Nanqi Bao 博士です。 22年、元ポスドク研究員のQingkun Liu博士。 '22年。

このプロジェクトは、コーネルエンジニアリングのロバート・F・スミス化学・生体分子工学大学院の主任著者であるニコラス・アボット教授と、物理学教授のイタイ・コーエン氏およびジョン・A・ニューマン教授のポール・マクユーン氏が主導した。物理科学、文理学部と理学部の両方。 コーネル大学工学部サミュエル・B・エッカート教授のデビッド・ミュラー氏。

「電気モーターなど、電気から機械へのエネルギー変換には非常に優れた技術があり、マキューエンとコーエンのグループはロボットを使ってそれをマイクロスケールで行う戦略を示した」とアボット氏は語った。 「しかし、化学から機械への直接変換を探してみると、実際には選択肢はほとんどありません。」

Prior efforts depended on chemical reactions that could only occur in extreme conditions, such as at high temperatures of several 100 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">摂氏であり、反応はしばしば退屈なほど遅く、場合によっては 10 分もかかるため、このアプローチは日常的な技術用途には実用的ではありません。

しかし、アボット氏のグループは、触媒実験のデータを検討しているときに、ある種の抜け穴を発見しました。それは、化学反応経路の小さなセクションに、遅いステップと速いステップの両方が含まれていたということです。

「化学アクチュエータの応答を見ると、ある状態から別の状態に直接移行するわけではありません。実際には、両端のどちらよりも極端な、曲がった状態、つまり曲率への変位を経ます。」と述べています」とアボット氏は語った。 「触媒経路の基本的な反応ステップを理解していれば、中に入って、ある種の外科的に急速なステップを抽出することができます。これらの急速なステップを中心に化学アクチュエータを操作し、残りの部分は無視することができます。」

研究者らは、その急速な運動モーメントを活用するための適切な材料プラットフォームを必要としたため、ミューラー氏と協力してチタンで覆われた極薄のプラチナシートを開発したマキューエン氏とコーエン氏に頼った。

同グループはまた、ウィスコンシン大学マディソン校のマノス・マブリカキス教授率いる理論家とも協力し、材料に吸着した水素が酸素にさらされたときに起こる化学反応を電子構造計算を使って分析した。

研究者らは、酸素が水素を急速に剥ぎ取り、原子的に薄い材料がヒンジのように変形して曲がる決定的な瞬間を利用することに成功した。

このシステムは 1 サイクルあたり 600 ミリ秒で作動し、乾燥環境では摂氏 20 度、つまり室温で動作できます。

"The result is quite generalizable," Abbott said. "There are a lot of catalytic reactions which have been developed based on all sorts of speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">種。 つまり、一酸化炭素、窒素酸化物、アンモニアはすべて、化学駆動アクチュエーターの燃料として使用できる候補です。」

研究チームは、この技術をパラジウムやパラジウム金合金などの他の触媒金属にも適用することを期待している。 最終的には、この研究は、制御回路とオンボード計算が材料の応答によって処理される自律的な材料システム、たとえば、化学組成に基づいて流れを制御する自律的な化学システムにつながる可能性があります。

「この研究は、ガス環境で動作するマイクロスケールの折り紙機械への道を開くものなので、私たちは本当に興奮しています」とコーエン氏は語った。

参考文献: 「極薄触媒シートの速度論的に制御された表面状態を使用した気相マイクロアクチュエーション」Nanqi Bao、Qingkun Liu、Michael F. Reynolds、Marc Figueras、Evangelos Smith、Wei Wang、Michael C. Cao、David A. Muller、Manos Mavrikakis 著、Itai Cohen、Paul L. McEuen、Nicholas L. Abbott、2023 年 5 月 1 日、米国科学アカデミー紀要

共著者には博士研究員の Michael Reynolds (17 年修士号、Ph.D.) が含まれます。 '21; 博士課程の学生、ウェイ・ワン。 マイケル・カオ '14; ウィスコンシン大学マディソン校の研究者ら。

この研究は、米国科学財団の MRSEC プログラム、陸軍研究局、NSF、空軍科学研究局、およびコーネル大学カブリナノスケール科学研究所の支援を受けているコーネル材料研究センターによって支援されました。

研究者らは、NSF が支援する国家ナノテクノロジー調整インフラストラクチャーのメンバーであるコーネル ナノスケール施設を利用しました。 および米国エネルギー省科学局の支援を受けている国立エネルギー研究科学計算センター (NERSC) のリソースです。

The project is part of the Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) program, which is designed to push nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ナノスケール科学とマイクロシステム工学を次のレベルの設計、機能、統合に引き上げます。