(Phys.org)—I ricercatori hanno progettato un nuovo tipo di microingranaggio che gira quando i micromotori si incastrano negli angoli dei denti dell'ingranaggio. I micromotori utilizzano la soluzione di perossido di idrogeno circostante come carburante per spingersi in avanti, che a sua volta fa girare i microingranaggi. Nel futuro, i minuscoli ingranaggi potrebbero essere utilizzati come elementi costitutivi per realizzare micromacchine autonome.

I ricercatori, Claudio Maggi, et al., dall'Italia, Germania, e Spagna, hanno pubblicato un articolo sui microingranaggi in un recente numero della rivista Piccolo .

"I moderni strumenti della nanotecnologia possono essere utilizzati per modellare la materia su scala micron e nanometrica con un alto grado di controllo strutturale e morfologico, "Maggi, presso l'Università di Roma, detto Phys.org . "Recentemente i ricercatori hanno iniziato a studiare possibili strategie per 'dare vita' a queste strutture e fornire loro un meccanismo per l'autopropulsione. L'intero sforzo di miniaturizzare le macchine diventa inutile, però, se sono ancora necessarie apparecchiature grandi e costose per guidare e controllare la propulsione su scala micron. Per questa ragione, stiamo lavorando allo sviluppo di materiali avanzati, collettivamente denominate "materia attiva, ' che può convertire una fonte di energia incorporata in movimento diretto."

I materiali di materia attiva utilizzati qui sono micromotori sotto forma di particelle di Janus. Come il dio romano bifronte, Le particelle di Giano hanno due facce, o superfici, che conferiscono loro un carattere asimmetrico. Qui, un lato di ciascuna particella da 5 µm è rivestito di platino, in modo che quando le particelle sono immerse in una soluzione di perossido di idrogeno, si muovono in una direzione.

In una soluzione contenente sia particelle Janus che microingranaggi passivi da 8 µm, alcune delle particelle di Janus semoventi si scontrano con i microingranaggi. Le particelle di Giano si orientano poi autonomamente in modo che la loro direzione di propulsione scorra lungo i lati degli ingranaggi, e il loro slancio in avanti li blocca in posizione nei denti degli ingranaggi. Fino a sei particelle di Janus possono essere depositate nei sei denti dei microingranaggi.

Questa strategia è simile ai metodi precedenti di spostamento di microoggetti che utilizzano il movimento collettivo di batteri o micronuotatori sintetici. Però, tutti questi metodi precedenti hanno richiesto elevate concentrazioni di batteri/micronuotatori e si sono mossi in modo altamente casuale, rendendo difficile il controllo e la riproduzione del movimento.

I maggiori vantaggi del nuovo metodo sono che funziona con concentrazioni di particelle inferiori e il movimento è altamente deterministico. I ricercatori hanno scoperto che la velocità di rotazione del microingranaggio aumenta linearmente man mano che il numero di particelle Janus bloccate nell'ingranaggio aumenta da 1 a 3. Con 4 particelle e oltre, la velocità si appiattisce e poi inizia a diminuire, il che è probabile perché le particelle Janus aggiuntive esauriscono il carburante perossido di idrogeno in modo che la velocità di tutte le particelle diminuisca.

"Abbiamo ora dimostrato che i colloidi Janus attivi possono autoassemblarsi attorno a un rotore microfabbricato in configurazioni riproducibili con un alto grado di ordine spaziale e orientativo, " ha affermato il coautore Roberto Di Leonardo al Consiglio Nazionale delle Ricerche italiano, e il coordinatore del gruppo di ricerca. "L'interazione tra geometria e comportamento dinamico porta all'autoassemblaggio di micromotori autonomi a partire da particelle distribuite casualmente. Oltre ad avere un chiaro interesse tecnologico, i nostri risultati dimostrano che la comprensione degli aspetti fondamentali delle interazioni nei sistemi di materia attiva apre la strada a micromacchine altamente riproducibili e controllabili per applicazioni lab-on-chip".

Nel futuro, i ricercatori intendono studiare come la regolazione della concentrazione di perossido di idrogeno può essere utilizzata per controllare la velocità di rotazione dei micromotori. Il controllo della velocità è essenziale per le micromacchine lab-on-chip e altre applicazioni.

La ricerca è stata finanziata da due ERC Starting Grant e combina i recenti progressi nella propulsione catalitica (Grant n. 311529) e la meccanica statistica della materia attiva (Grant n. 307940).

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