Nanoreattori in azione per un microattuatore durevole che utilizza la combustione spontanea di gas in nanobolle

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20895 (2022) Citare questo articolo

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Numerosi studi recenti riportano il miglioramento delle reazioni chimiche sulle microgocce d’acqua o all’interno delle nanobolle nell’acqua. Questa scoperta promette interessanti applicazioni, anche se il meccanismo dell’accelerazione della reazione non è ancora chiaro. Nello specifico, la combustione spontanea di idrogeno e ossigeno nelle nanobolle apre la strada alla fabbricazione di motori veramente microscopici. Un esempio è un attuatore a membrana elettrochimica con tutte e tre le dimensioni nella gamma dei micrometri. L'attuatore è azionato da brevi impulsi di tensione di polarità alternata, che generano solo nanobolle. Il funzionamento del dispositivo è tuttavia limitato da un rapido degrado degli elettrodi correlato ad un'elevata densità di corrente. Qui viene dimostrato che l'attuatore con elettrodi al rutenio non mostra segni di degrado nel funzionamento a lungo termine. È l'unico materiale in grado di resistere alle condizioni estreme dell'elettrolisi a polarità alternata. Questa proprietà è dovuta alla combinazione di elevata durezza meccanica e conduttività metallica dell'ossido di rutenio. L'attuatore combina due caratteristiche considerate impossibili: catalisi in acqua e combustione in un volume microscopico. Offre un’opportunità eccezionale per guidare microdispositivi autonomi soprattutto per applicazioni mediche o biologiche.

Oggi esistono numerosi rapporti sull'attività chimica insolita delle interfacce acquose per oggetti con un elevato rapporto superficie-volume1. L'accelerazione delle reazioni organiche è stata rivelata nelle microgocce presenti nell'aria2,3,4,5. È stato riportato anche che il perossido di idrogeno può formarsi spontaneamente in microgoccioline di dimensioni comprese tra 1 e 20 μm6. Queste scoperte aprono nuove possibilità per applicazioni biologiche e ambientali, sebbene il meccanismo di accelerazione non sia ancora chiaro. Inoltre, processi chimici inspiegabili sono stati osservati in nanobolle (NB) di dimensioni inferiori a 1 μm. Le microbolle d'aria che si restringono sono in grado di produrre radicali OH senza alcuno stimolo esterno, come è stato osservato con la spettroscopia di risonanza di spin elettronico7,8. È stato confermato indipendentemente con molecole sonda che i radicali OH sono prodotti da NB riempiti di aria, gas O\(_2\) e O\(_3\)9. La formazione di radicali liberi è un fenomeno sconcertante poiché nel sistema non sono presenti fonti ad alta energia.

La combustione spontanea dei gas H\(_2\) e O\(_2\) è stata osservata nei NB prodotti in un cosiddetto processo elettrochimico a polarità alternata (AP), quando la polarità degli elettrodi si alterna con una frequenza superiore a 20 kHz10 ,11. Il calore prodotto dalla reazione è stato misurato utilizzando dispositivi microfluidici12,13. Le normali reazioni di combustione in un volume così piccolo non possono essere supportate, perché il calore fuoriesce troppo velocemente attraverso le pareti delle bolle14,15. La bolla più piccola, dove era possibile accendere la normale combustione, aveva una dimensione di 2 mm16. Tuttavia, la combustione procede spontaneamente negli NB senza un aumento significativo della temperatura locale (vedi revisione 17 per i dettagli).

È stato proposto di utilizzare la combustione spontanea come principio base per un nuovo attuatore per azionare microdispositivi12; un tale attuatore può essere piccolo (con tutte e tre le dimensioni nell'ordine dei micrometri), veloce e robusto. Gli attuatori piezoelettrici più avanzati non possono essere più piccoli di pochi millimetri per produrre una corsa ragionevole18,19,20,21. Hanno anche bisogno di un'alta tensione per guidarli. Gli attuatori che utilizzano le forze elettrostatiche sono deboli22,23,24, ma quelli che utilizzano il principio termico sono lenti25,26. Gli attuatori elettrochimici sono notoriamente lenti27,28,29,30,31,32, poiché il gas può essere prodotto velocemente in una camera chiusa, ma per liberarsi di questo gas occorrono minuti anche utilizzando elettrodi con proprietà catalitiche33,34. Abbiamo dimostrato l'attuatore elettrochimico che utilizza la combustione spontanea dei gas negli NB e ha un tempo di risposta paragonabile a quello degli attuatori piezoelettrici35. Tuttavia, il problema principale di tali dispositivi è il rapido degrado degli elettrodi. Da un lato, la deposizione di energia derivante dall'esplosione degli NB fornisce notevoli stress locali10,36 su elettrodi chimicamente inerti come Pt. D'altro canto i materiali più duri vengono ossidati con conseguente riduzione della corrente37 come avviene per il Ti.