화학 반응은 생명을 자아로 촉발시킵니다.

Sep 23, 2023

Cornell University 작성2023년 5월 26일

주사전자현미경(SEM) 이미지는 수소에 노출된 후 스스로 접히는 종이접기 사면체 미세구조를 보여줍니다. 신용: 코넬대학교

코넬 연구진은 마이크로 크기 종이접기 기계의 자체 접힘을 위해 화학 반응을 활용하여 건조한 실온 조건에서 작동할 수 있는 방법을 고안했습니다. 이 획기적인 발전은 화학적 환경에 신속하게 반응하는 작고 자율적인 장치를 만드는 길을 열어줄 수 있습니다.

코넬이 주도한 협력에서는 화학 반응을 활용하여 소형 종이접기 기계를 자동으로 접을 수 있도록 했습니다. 즉, 일반적으로 작동하는 액체에서 벗어나 건조한 환경과 실온에서 작동할 수 있습니다.

이 접근 방식은 언젠가 화학적 환경에 신속하게 반응할 수 있는 새로운 소형 자율 장치의 생성으로 이어질 수 있습니다.

이 그룹의 논문 "초박형 촉매 시트의 역학적으로 제어되는 표면 상태를 사용한 가스상 미세 작동"은 5월 1일 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 게재되었습니다. 이 논문의 공동 저자는 Nanqi Bao 박사입니다. '22, 전 박사후 연구원 Qingkun Liu, Ph.D. '22.

이 프로젝트는 코넬 공과대학의 로버트 F. 스미스 화학 및 생체분자공학부 Tisch 대학 교수인 선임 저자 Nicholas Abbott와 물리학 교수인 Itai Cohen, 그리고 John A. Newman 교수인 Paul McEuen이 주도했습니다. 예술 및 과학 대학의 물리 과학; David Muller, 코넬 엔지니어링 공학과 Samuel B. Eckert 교수.

Abbott는 "전기 모터와 같이 전기에서 기계 에너지 변환을 위한 매우 우수한 기술이 있으며 McEuen 및 Cohen 그룹은 로봇을 사용하여 미세 규모에서 이를 수행하기 위한 전략을 보여주었습니다"라고 말했습니다. "그러나 직접적인 화학적 변환을 기계적 변환으로 찾는다면 실제로는 선택 사항이 거의 없습니다."

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"}]">섭씨와 반응은 종종 지루할 정도로 느려졌으며 때로는 10분까지 길어 일상적인 기술 응용에 접근 방식을 비현실적으로 만들었습니다.

그러나 Abbott의 그룹은 촉매 실험의 데이터를 검토하는 동안 일종의 허점을 발견했습니다. 즉, 화학 반응 경로의 작은 부분에 느린 단계와 빠른 단계가 모두 포함되어 있다는 것입니다.

"화학 액츄에이터의 반응을 보면 한 상태에서 다른 상태로 직접 이동하는 것은 아닙니다. 실제로 두 끝 중 어느 쪽보다 더 극단적인 구부러진 상태, 곡률로 이동합니다. 라고 애보트는 말했다. "촉매 경로의 기본 반응 단계를 이해한다면 빠른 단계를 외과적으로 추출할 수 있습니다. 이러한 빠른 단계 주위에서 화학적 작동기를 작동하고 나머지는 무시할 수 있습니다."

연구원들은 빠른 운동 순간을 활용할 수 있는 올바른 재료 플랫폼이 필요했기 때문에 Muller와 협력하여 티타늄으로 덮인 초박형 백금 시트를 개발했던 McEuen과 Cohen에게 도움을 요청했습니다.

이 그룹은 또한 전자 구조 계산을 사용하여 물질에 흡착된 수소가 산소에 노출될 때 발생하는 화학 반응을 분석한 매디슨 위스콘신 대학의 Manos Mavrikakis 교수가 이끄는 이론가들과 협력했습니다.

그런 다음 연구원들은 산소가 수소를 빠르게 제거하여 원자적으로 얇은 물질이 경첩처럼 변형되고 구부러지는 중요한 순간을 활용할 수 있었습니다.