Российские ученые представили
электрохимический наноактуатор – устройство, выполняющее роль двигателя для
автономных микроскопических устройств. Он работает за счет горения смеси
водорода и кислорода в крошечных пузырьках, которые генерируются электродами. В
аналогичных устройствах электроды быстро приходят в негодность из-за большой
нагрузки, однако авторы выбрали в качестве материала для них рутений – хорошо
проводящий ток, но при этом прочный металл. Результаты работы, поддержанной грантом
Российского научного фонда (РНФ) и опубликованной в
журнале Scientific Reports, позволят создать микроскопические двигатели для
автономных микроустройств в биологии и медицине.
Слева – фотография устройства, в черном
прямоугольнике расположен актуатор. Справа вверху – актуатор с концентрическими
электродами, справа внизу – принципиальное устройство рабочей камеры. Источник:
Uvarov & Svetovoy / Sci. Rep., 2022.
Механизм ускорения химических реакций на границе
раздела вода-воздух, также называемый катализом на поверхности воды, пока до
конца не понятен. Вместе с тем этот процесс уже считается достаточно эффективным
для решения различных задач экологии, биологии и медицины. Так, например,
реакции на пузырьках воздуха в воде способны помочь в очистке воды от токсинов,
обезвреживании опасных для клеток активных форм кислорода или, напротив, их
получении, чтобы уничтожить раковую опухоль.
Исследователи из ярославского филиала
Физико-технологического института имени К. А. Валиева РАН (Ярославль)
и Института физической химии
и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН (Москва) предложили
использовать одну из таких реакций, а именно самовозгорание смеси водорода и
кислорода в нанопузырьках, в работе наноактуатора, или нанопривода – двигателя,
с помощью которого можно управлять микроскопическими устройствами. В качестве
последних могут выступать, например, лаборатории на чипе или имплантируемые
контейнеры, периодически высвобождающие лекарство в организм человека.
Нанопривод представляет собой маленькую, немногим
больше толщины волоса, рабочую камеру: на кремниевую пластинку нанесены
электроды, боковые стенки камеры сделаны из фоточувствительного полимера, а
верхняя стенка выполнена 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 – по сути, получается водородное топливо. Пузырьки поднимают мембрану,
которая способна, например, толкать жидкость по микроканалам или выполнять
другую механическую работу. Затем мембрана возвращается в исходное положение
из-за самопроизвольной реакции между нанопузырьками водорода и кислорода.
Полный цикл подъема мембраны и возвращения в исходное состояние занимает всего
100 миллисекунд – почти столько же времени требуется колибри для одного взмаха
крыла, – а значит, удастся контролировать и довольно быстрые микромашины.
Большой проблемой такой системы стал слишком быстрый
износ электродов из-за высоких механических напряжений, вызванных нановзрывами
вблизи поверхности электродов. Авторы решили эту проблему, покрыв алюминиевые
электроды слоем металла рутения – все еще хорошо проводящего ток, но достаточно
прочного, чтобы выдержать нагрузку от взрывов. В результате устройство работало
в течение как минимум пяти часов без снижения силы тока и признаков разрушения
электродов (другие электроды, например, из золота, меди или платины,
разрушались уже через минуту).
«Как правило, сжигание
водородно-кислородной смеси невозможно в объемах меньше нескольких микролитров,
поскольку в таком случае необходимое для реакции тепло уходит слишком быстро. В
нашей же установке это оказалось возможным благодаря спонтанному горению газов
в нанопузырьках», – рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом
РНФ, Илья Уваров, кандидат физико-математических наук, старший
научный сотрудник ЯФ ФТИАН РАН.
«Очень важно и то, что мы показали
принципиальную возможность построения актуатора, работающего на „водном
катализе”, зажигающем реакцию между газами в нанообъемах. Такой миниатюрный
двигатель будет приводить в движение автономные микрожидкостные устройства в
медицинских и биологических приложениях. Кроме того, можно заменить мембрану на
более тонкую, например, из нитрида кремния, и тем самым сделать наноактуатор
еще компактнее», – дополняет соавтор работы Виталий Световой,
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИФХЭ РАН.