(PhysOrg.com) -- Misurando solo 3,6 micrometri di lunghezza, una delle batterie più piccole mai realizzate non alimenterà presto i nostri dispositivi elettronici, ma funge da nanomotore autoalimentato sorprendentemente veloce ed efficiente. In definitiva, il motore basato su nanobatterie potrebbe essere utilizzato come nanomacchina e per trasportare merci per applicazioni biomediche.

I ricercatori, Dr. Ran Liu e Prof. Ayusman Sen del Dipartimento di Chimica della Pennsylvania State University, hanno pubblicato il loro studio sul motore basato su nanobatterie in un recente numero del Giornale della Società Chimica Americana AL PIÙ PRESTO.

La nanobatteria è costituita da un singolo nanofilo con un'estremità in rame lunga 3 micrometri e un'estremità in platino lunga 600 nanometri. Quando la nanobatteria viene posta in una soluzione diluita di ossidante (come bromo o iodio), l'estremità in rame funge da anodo e viene ossidata mentre l'estremità in platino funge da catodo. Quando la nanobatteria si scarica nella soluzione, interviene il fenomeno dell'elettroforesi, in modo che il campo elettrico generato dalle reazioni redox della batteria faccia muovere la batteria.

“Il nucleo scientifico di questa scoperta è che una nanobatteria in cortocircuito (ad es. nanorod segmentato in rame-platino) può essere spostato per autoelettroforesi risultante dall'ossidazione e dalla riduzione che si verificano, rispettivamente, ai due metalli, "Liu ha detto PhysOrg.com . "La corrente generata può essere convertita direttamente in forza meccanica."

Questo fenomeno di autoelettroforesi spinge il dispositivo a velocità superiori a 10 micron (tre volte la sua lunghezza) al secondo. Questo è l'equivalente approssimativo di un motoscafo di 5 metri (16 piedi) che si muove a 54 chilometri all'ora (33,5 miglia all'ora) attraverso l'acqua.

“In questo caso, la direzione del movimento del nanomotore è casuale su scale temporali lunghe, ", ha detto Liu. “Può essere potenzialmente controllato. Per esempio, se incorporiamo un segmento metallico magnetico nella nanobatteria, possiamo controllare la sua direzione di movimento tramite il campo magnetico.”

Il nanomotore funziona continuamente finché il segmento di rame non è completamente ossidato dal bromo o convertito in ioduro di rame dallo iodio. la sua vita, perciò, dipende sia dalla lunghezza del segmento di rame che dalla concentrazione dell'ossidante. Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno osservato una durata delle nanobatterie compresa tra 40 secondi e 1 minuto modificando queste variabili. (La lunghezza del segmento di rame può essere controllata dal suo tempo di elettrodeposizione durante la fabbricazione.) I ricercatori hanno scoperto che la velocità del nanomotore dipende anche dalla lunghezza del segmento di rame, dove un segmento di rame più corto offre una velocità maggiore ma una durata ridotta.

Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato di poter far funzionare il nanomotore come un rotore in rame solo lucidando un lato, facendolo deformare in una forma a "cricchetto". Questo nanorod asimmetrico potrebbe ruotare a velocità estremamente elevate di circa 170 rpm in bromo. Gli scienziati hanno spiegato che la forma asimmetrica genera una coppia (o torsione) che fa ruotare l'asta.

Il nuovo nanomotore presenta alcuni vantaggi rispetto ad altri nanomotori autoalimentati. Ad esempio, i ricercatori hanno precedentemente costruito un nanomotore in oro-platino che utilizzava il perossido di idrogeno come combustibile. Però, questo nanomotore produceva bolle di ossigeno che rendevano difficile lo studio e aveva un'efficienza inferiore rispetto al nuovo nanomotore in rame-platino. I ricercatori attribuiscono l'efficienza migliorata del nuovo nanomotore al suo carburante elettrolitico, il tutto o la maggior parte dei quali viene utilizzato per generare una corrente che viene poi convertita direttamente in forza meccanica. In contrasto, la maggior parte del carburante del nanomotore oro-platino viene sprecato all'estremità platino e non viene utilizzato per generare corrente.

“Il nostro studio conferma la generalità dell'autoelettroforesi come meccanismo per il movimento micro/nanomotorio e suggerisce che praticamente qualsiasi reazione redox che si verifica in modo asimmetrico su una micro/nanostruttura appropriata può essere impiegata nella progettazione di sistemi autoalimentati, ", ha detto Liu.

Dimostrando che l'autoelettroforesi di una nanobatteria può fornire propulsione per consentire alla nanobatteria di funzionare come un nanomotore, i ricercatori sperano che i risultati attuali portino a futuri nanomotori con un design simile ma che utilizzano materiali diversi. Per esempio, potrebbero essere utilizzate altre coppie di metalli, e potrebbero essere studiate diverse applicazioni.

“In linea di principio, i nanomotori possono essere utilizzati per trasportare e consegnare attivamente merci, come droghe, eccetera., ", ha detto Liu. “In futuro, dobbiamo trovare più rispettosi dell'ambiente, e soprattutto biocompatibile, sistemi di alimentazione. Un'altra sfida rimanente è la progettazione di micro/nanobatterie mobili che possono essere ricaricate e utilizzate ripetutamente".

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