由化学反应驱动的自动折纸机

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动折叠 - 将它们从通常起作用的液体中解放出来，以便它们可以在干燥环境和室温下运行。

这种方法有朝一日可能会创造出一个新的微型自主设备，可以快速响应其化学环境。

该小组的论文“使用超薄催化片的动力学控制表面状态的气相微驱动”发表在《美国国家科学院院刊》上。该论文的共同主要作者是Nanqi Bao，Ph.D. ' 22和前博士后研究员Qingkun Liu，Ph.D. ' 22。

该项目由资深作者尼古拉斯·阿博特(Nicholas Abbott)领导，他是康奈尔工程学院罗伯特·史密斯化学与生物分子工程学院的Tisch大学教授，以及物理学教授Itai Cohen和John A. Newman物理科学教授Paul McEuen，均在艺术与科学学院;以及康奈尔大学工程学院塞缪尔·B·埃克特工程学教授大卫·穆勒。

“有相当好的电气和机械能转换技术，例如电动机。McEuen和Cohen小组已经展示了一种在微观尺度上用他们的机器人做到这一点的策略，“雅培说。“但如果你寻找直接的化学到机械转导，选择很少。

以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100摄氏度的高温下。反应通常非常缓慢 - 有时长达10分钟 - 使得该方法对于日常技术应用不切实际。

然而，雅培的小组在审查催化实验数据时发现了一个漏洞：化学反应途径的一小部分包含慢步和快速步。

“如果你看一下化学致动器的响应，并不是说它直接从一种状态进入另一种状态。它实际上经历了一个弯曲状态，一个曲率，这比两个最终状态中的任何一个都更极端，“雅培说。

“如果你了解催化途径中的基本反应步骤，你可以进入并通过手术提取快速步骤。你可以在这些快速步骤周围操作你的化学执行器，而忽略其余部分。

研究人员需要合适的材料平台来利用这种快速的动力学时刻，因此他们求助于McEuen和Cohen，他们曾与Muller合作开发钛盖的超薄铂片。

该小组还与威斯康星大学麦迪逊分校的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到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的关键时刻，导致原子薄的材料像铰链一样变形和弯曲。

该系统以每个周期 600 毫秒的速度启动，并且可以在干燥环境中在 20 摄氏度(即室温)下运行。

“结果是相当普遍的，”雅培说。“有很多催化反应是基于各种物种开发的。所以一氧化碳、氮氧化物、氨：它们都是用作化学驱动执行器燃料的候选者。

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，这项工作可能会导致自主材料系统，其中控制电路和机载计算由材料的响应处理 - 例如，基于化学成分调节流量的自主化学系统。

“我们真的很兴奋，因为这项工作为在气体环境中工作的微型折纸机器铺平了道路，”科恩说。

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