Российские ученые создали электрохимический наноактуатор — «двигатель» для автономных микроскопических устройств, работающий за счет горения смеси водорода и кислорода в крошечных пузырьках, которые генерируются электродами. Разработка, которая позволит создать микроскопические двигатели для автономных микроустройств в биологии и медицине, описана в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports.
Механизм ускорения химических реакций на границе раздела вода-воздух, также называемый катализом на поверхности воды, считается достаточно эффективным для решения различных задач в области экологии, биологии и медицины. Ученые из ярославского филиала Физико-технологического института имени К.А. Валиева РАН и Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН предложили использовать одну из таких реакций — самовозгорание смеси водорода и кислорода в нанопузырьках — в работе двигателя, с помощью которого можно управлять микроскопическими устройствами (например, лабораториями на чипе или имплантируемыми контейнерами, высвобождающими лекарство в организм).
Нанопривод — это крошечная рабочая камера. На кремниевую пластинку нанесены электроды, боковые стенки из фоточувствительного полимера, а верхняя стенка сделана в виде эластичной мембраны. Камера заполнена электролитом — раствором, содержащим много ионов и поэтому способным проводить ток. На электроды подают переменное напряжение высокой частоты, вследствие чего вода расщепляется на кислород и водород, и образуются нанопузырьки, содержащие эти газы, т.е. получается водородное топливо.
Пузырьки поднимают мембрану, которая способна выполнять механическую работу. Затем мембрана возвращается в исходное положение из-за самопроизвольной реакции между нанопузырьками водорода и кислорода. Полный цикл подъема и возвращения занимает всего 100 миллисекунд, что позволит контролировать довольно быстрые микромашины.
Проблему слишком быстрого износа электродов из-за высоких механических напряжений, вызванных нановзрывами вблизи поверхности электродов, авторы решили, покрыв алюминиевые электроды слоем металла рутения — хорошо проводящего ток, но достаточно прочного, чтобы выдержать нагрузку от взрывов. Благодаря этому устройство работало порядка 5 часов без снижения силы тока и признаков разрушения электродов.
Авторы работы отмечают, что им удалось показать принципиальную возможность построения актуатора, работающего на «водном катализе», зажигающем реакцию между газами в нанообъемах. Миниатюрный двигатель способен приводить в движение автономные микрожидкостные устройства в медицинских и биологических приложениях.
