Il "tappeto magico" presente nei racconti da "Le mille e una notte" ad "Aladdin" della Disney cattura l'immaginazione non solo perché può volare, ma perché sa anche ondeggiare, patta, e alterare la sua forma per servire i suoi cavalieri. Con quell'ispirazione, e l'assistenza di reazioni chimiche catalitiche in soluzioni, un team della Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh ha progettato un foglio mutaforma che si muove autonomamente in un fluido pieno di reagenti.

L'articolo, "Progettare semoventi, fogli chimicamente attivi:Involucri, flapper e rampicanti, " è stato pubblicato di recente sulla rivista AAAS Progressi scientifici . L'investigatore principale è Anna C. Balazs, la cattedra John A. Swanson e illustre professore di ingegneria chimica e petrolifera presso la Swanson School. L'autore principale è Abhrajit Laskar, e co-autore è Oleg E. Shklyaev, entrambi associati post-dottorato.

"È stata a lungo una sfida in chimica creare un oggetto non vivente che si muova da solo all'interno di un ambiente, che a sua volta altera la forma dell'oggetto, permettendogli di svolgere compiti nuovi di zecca, come intrappolare altri oggetti, "Il Dr. Balazs ha spiegato. "I ricercatori hanno precedentemente realizzato dei cerotti chimicamente attivi su una superficie che potrebbero generare un flusso di fluido, ma il flusso non ha influenzato la posizione o la forma della patch. E nel nostro laboratorio abbiamo modellato particelle sferiche e rettangolari che possono muoversi autonomamente all'interno di una microcamera piena di fluido. Ma ora abbiamo questo sistema integrato che utilizza una reazione chimica per attivare il movimento fluido che trasporta contemporaneamente un oggetto flessibile e "scolpisce" la sua forma, e tutto avviene in autonomia".

Il gruppo ha compiuto questa impresa di autopropulsione e riconfigurazione introducendo un rivestimento di catalizzatori sul foglio flessibile, che è all'incirca la larghezza di un capello umano. L'aggiunta di reagenti al fluido circostante avvia sia il movimento del tappeto che i cambiamenti della sua forma. "Per quanto ne sappiamo, questa è la prima volta che queste reazioni chimiche catalitiche sono state applicate a fogli 2-D per generare flussi che trasformano questi fogli in mobili, oggetti 3D, " ha detto il dottor Balazs.

Ulteriore, posizionando diversi catalizzatori su aree specifiche del foglio e controllando la quantità e il tipo di reagenti nel fluido, il gruppo ha creato un'utile cascata di reazioni catalitiche in cui un catalizzatore scompone una sostanza chimica associata, che poi diventa un reagente per la successiva della serie di reazioni catalitiche. L'aggiunta di diversi reagenti e la progettazione di configurazioni appropriate del foglio consente una varietà di azioni:in questo studio, avvolgere un oggetto, facendo un movimento svolazzante, e rotolando su ostacoli su una superficie.

"Un dispositivo microfluidico che contiene questi fogli attivi può ora svolgere funzioni vitali, come la spola di merci, afferrando un morbido, oggetto delicato, o anche strisciando per pulire una superficie, " Ha detto il dottor Shklyaev. "Queste micro-macchine flessibili convertono semplicemente l'energia chimica in riconfigurazione e movimento spontanei, che consente loro di svolgere un repertorio di lavori utili."

Il dottor Laskar ha aggiunto che se il foglio viene tagliato a forma di fiore a quattro petali e posto sulla superficie di un dispositivo microfluidico, la chimica dei petali può essere "programmata" per aprirsi e chiudersi singolarmente, creare porte che eseguono operazioni logiche, oltre a generare particolari flussi di fluido per trasportare particelle in tutto il dispositivo.

"Per esempio, come un guanto da caccia puoi usare i petali del fiore per intrappolare una sfera microscopica e tenerla per un tempo finito, quindi avviare una nuova reazione chimica su un diverso set di petali in modo che la palla si muova tra di loro in un gioco di cattura chimicamente diretto, "Il dottor Laskar ha spiegato. "Questo livello di controllo spaziale e temporale consente reazioni e analisi messe in scena che altrimenti non potresti eseguire con materiali indeformabili".

Il gruppo ha anche sperimentato il posizionamento del catalizzatore su diverse parti del foglio per creare movimenti specifici. In un esperimento, posizionando il catalizzatore solo sul corpo della lastra, piuttosto che la testa e la coda, innescato un movimento strisciante stranamente simile al movimento di un verme. In un'altra realizzazione, quando gli ostacoli sono stati posti davanti al foglio rivestito, cadrebbe sull'ostacolo e continuerebbe a muoversi, permettendogli di attraversare un terreno accidentato.

"Questa ricerca ci fornisce ulteriori informazioni su come la chimica può guidare autonomamente, attivazione spontanea e locomozione in dispositivi microfluidici, " Il Dr. Balazs ha detto. "Il nostro prossimo compito è esplorare la microfabbricazione utilizzando l'interazione e l'auto-organizzazione di più fogli per riunirli in architetture specifiche progettate per eseguire complesse, funzioni coordinate. Anche, sperimentando stimoli diversi come il calore e la luce, possiamo progettare mobile, Micromacchine 3D che adattano la loro forma e la loro azione ai cambiamenti dell'ambiente. Questo livello di comportamento reattivo è vitale per creare la prossima generazione di dispositivi robotici morbidi".