Нанореакторы в действии для прочного микроактюатора, использующего самовозгорание газов в нанопузырьках

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 20895 (2022) Цитировать эту статью

800 доступов

1 Цитаты

10 Альтметрика

Подробности о метриках

В ряде недавних исследований сообщается об усилении химических реакций в микрокаплях воды или внутри нанопузырьков в воде. Это открытие обещает интересные применения, хотя механизм ускорения реакции до сих пор не ясен. В частности, самовозгорание водорода и кислорода в нанопузырьках открывает путь к созданию действительно микроскопических двигателей. Примером может служить электрохимический мембранный привод, все три размера которого находятся в диапазоне микрометров. Актуатор приводится в действие короткими импульсами напряжения переменной полярности, которые генерируют только нанопузырьки. Однако работа устройства ограничена быстрой деградацией электродов, связанной с высокой плотностью тока. Здесь показано, что актуатор с рутениевыми электродами не проявляет признаков деградации при длительной эксплуатации. Это единственный материал, способный выдерживать экстремальные условия электролиза переменной полярности. Это свойство обусловлено сочетанием высокой механической твердости и металлической проводимости оксида рутения. Привод сочетает в себе две функции, которые считались невозможными: катализ на воде и горение в микроскопическом объеме. Это дает исключительную возможность управлять автономными микроустройствами, особенно для медицинских или биологических приложений.

Сегодня имеется ряд сообщений о необычной химической активности водных границ раздела для объектов с высоким соотношением поверхности к объему1. В микрокаплях воздуха обнаружено ускорение органических реакций2,3,4,5. Сообщалось также, что пероксид водорода может спонтанно образовываться в микрокаплях размером от 1 до 20 мкм6. Эти открытия открывают новые возможности для биологических и экологических применений, хотя механизм ускорения до сих пор неясен. Более того, необъяснимые химические процессы наблюдались в объемных нанопузырьках (НБ) размером менее 1 мкм. Сжимающиеся микропузырьки воздуха способны производить радикалы ОН без каких-либо внешних стимулов, как это наблюдалось с помощью спектроскопии электронного спинового резонанса7,8. Независимо с помощью молекул-зондов было подтверждено, что радикалы ОН образуются в НБ, заполненных воздухом, газами О\(_2\) и О\(_3\)9. Образование свободных радикалов является загадочным явлением, поскольку в системе нет источников высокой энергии.

Самовозгорание газов H\(_2\) и O\(_2\) наблюдалось в НБ, полученных в так называемом электрохимическом процессе переменной полярности (АП), когда полярность электродов чередуется с частотой выше 20 кГц10. ,11. Тепло, выделяемое в результате реакции, измерялось с помощью микрофлюидных устройств12,13. Нормальные реакции горения в таком небольшом объеме не могут поддерживаться, поскольку тепло слишком быстро уходит через стенки пузырьков14,15. Самый маленький пузырек, где можно было зажечь нормальное горение, имел размер 2 мм16. Тем не менее горение в НБ протекает самопроизвольно без значительного повышения локальной температуры (подробнее см. обзор 17).

Самовозгорание было предложено использовать в качестве основного принципа для нового привода для управления микроустройствами12; такой привод может быть небольшим (все три размера в диапазоне микрометров), быстрым и мощным. Самые совершенные пьезоактуаторы не могут быть меньше нескольких миллиметров, чтобы обеспечить разумный ход18,19,20,21. Им также необходимо высокое напряжение, чтобы управлять ими. Приводы, использующие электростатические силы, слабы22,23,24, а те, что используют тепловой принцип, медленны25,26. Электрохимические приводы, как известно, работают медленно27,28,29,30,31,32, поскольку газ можно быстро получить в закрытой камере, но чтобы избавиться от этого газа, нужны минуты, даже используя электроды с каталитическими свойствами33,34. Мы продемонстрировали электрохимический актуатор, использующий самовозгорание газов в НБ и имеющий время срабатывания, сравнимое с пьезоактуаторами35. Однако основной проблемой таких устройств является быстрая деградация электродов. С одной стороны, выделение энергии от взрыва NB создает значительные локальные напряжения10,36 на химически инертных электродах, таких как Pt. С другой стороны, более твердые материалы окисляются, что приводит к уменьшению тока37, как это происходит с Ti.