Le ruote azionate chimicamente si “trasformano” in ingranaggi

Università di Pittsburgh, Pennsylvania

L'ingranaggio è uno degli strumenti meccanici più antichi e ha portato a macchine che vanno dai primi sistemi di irrigazione e orologi, ai motori moderni e alla robotica. I ricercatori hanno utilizzato una reazione catalitica che fa sì che un foglio bidimensionale rivestito chimicamente si "trasformi" spontaneamente in un ingranaggio tridimensionale che esegue un lavoro prolungato.

I risultati indicano il potenziale per sviluppare macchine azionate chimicamente che non si basano sull'energia esterna ma richiedono semplicemente l'aggiunta di reagenti alla soluzione circostante. La modellizzazione computazionale ha dimostrato che la trasduzione chimico-meccanica (conversione dell'energia chimica in movimento) su fogli attivi presenta un nuovo modo per replicare il comportamento degli ingranaggi in ambienti senza accesso alle tradizionali fonti di energia.

Nelle simulazioni i catalizzatori vengono posizionati in vari punti su un foglio bidimensionale simile ad una ruota a raggi, con nodi più pesanti sulla circonferenza del foglio. Il foglio flessibile, lungo circa un millimetro, viene quindi inserito in una microcamera piena di fluido. Alla camera viene aggiunto un reagente che attiva i catalizzatori sulla "ruota" piatta, facendo così fluire spontaneamente il fluido. Il flusso del fluido verso l'interno spinge le sezioni più leggere del foglio a sollevarsi, formando un rotore attivo che cattura il flusso e ruota.

In natura, gli organismi utilizzano l'energia chimica per cambiare forma e muoversi. Affinché il nuovo foglio chimico possa muoversi, deve anche trasformarsi spontaneamente in una nuova forma, che gli consenta di catturare il flusso del fluido e svolgere la sua funzione.

Il team ha scoperto che non tutte le parti degli ingranaggi dovevano essere chimicamente attive affinché si verificasse il movimento; infatti, l’asimmetria è fondamentale per creare movimento. Determinando le regole di progettazione per il posizionamento, i ricercatori hanno potuto dirigere la rotazione in senso orario o antiorario. Questo "programma" aggiuntivo consentiva il controllo di rotori indipendenti per muoversi in sequenza o con effetto a cascata, con sistemi di ingranaggi attivi e passivi. Questa azione più complessa è controllata dalla struttura interna dei raggi e dal posizionamento all'interno del dominio del fluido.

In futuro, i ricercatori studieranno come la relativa organizzazione spaziale di più ingranaggi possa portare a una maggiore funzionalità, progettando potenzialmente un sistema che sembra agire come se stesse prendendo decisioni.

Per ulteriori informazioni, contattare Paul Kovach all'indirizzo Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo..

Questo articolo è apparso per la prima volta nel numero di giugno 2023 di Tech Briefs Magazine.

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