Un conduttore di elettricità, rilevamento dell'ambiente, macchina che cambia forma delle dimensioni di una cellula umana? È anche possibile?

I fisici di Cornell Paul McEuen e Itai Cohen non solo dicono di sì, ma in realtà hanno costruito il "muscolo" per uno.

Con il ricercatore post-dottorato Marc Miskin al timone, il team ha realizzato un esoscheletro robotico in grado di cambiare rapidamente forma quando rileva cambiamenti chimici o termici nel suo ambiente. E, essi sostengono, queste macchine in microscala – dotate di elettronica, carichi utili fotonici e chimici – potrebbero diventare una potente piattaforma per la robotica alla scala dei microrganismi biologici.

"Potresti trasferire la potenza di calcolo dell'astronave Voyager su un oggetto delle dimensioni di una cella, " disse Cohen. "Allora, dove vai ad esplorare?"

"Stiamo cercando di costruire quello che si potrebbe chiamare un 'esoscheletro' per l'elettronica, " ha detto McEuen, il John A. Newman Professor of Physical Science e direttore del Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science. "Proprio adesso, puoi creare piccoli chip per computer che elaborano molte informazioni... ma non sanno come muoversi o piegare qualcosa."

Il loro lavoro è delineato in "Bimorphs a base di grafene per dimensioni di micron, Macchine per origami autonome, " pubblicato il 2 gennaio in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Miskin è l'autore principale; altri contributori includevano David Muller, il professore di ingegneria Samuel B. Eckert, e dottorandi Kyle Dorsey, Baris Bircan e Yimo Han.

Le macchine si muovono usando un motore chiamato bimorfo. Un bimorfo è un assemblaggio di due materiali:in questo caso, grafene e vetro - che si piega quando guidato da uno stimolo come il calore, una reazione chimica o una tensione applicata. Il cambio di forma avviene perché, in caso di caldo, due materiali con diverse risposte termiche si espandono di quantità diverse durante la stessa variazione di temperatura.

Come conseguenza, il bimorfo si piega per alleviare parte di questo ceppo, permettendo a uno strato di allungarsi più a lungo dell'altro. Aggiungendo pannelli piatti rigidi che non possono essere piegati dai bimorfi, i ricercatori localizzano la flessione in modo che avvenga solo in luoghi specifici, creare pieghe. Con questo concetto, sono in grado di realizzare una varietà di strutture pieghevoli che vanno dai tetraedri (piramidi triangolari) ai cubi.

Nel caso del grafene e del vetro, i bimorfi si piegano anche in risposta a stimoli chimici spingendo grandi ioni nel vetro, facendolo espandere. Tipicamente questa attività chimica si verifica solo sul bordo molto esterno del vetro quando è immerso in acqua o in qualche altro fluido ionico. Poiché il loro bimorfo è spesso solo pochi nanometri, il vetro è praticamente tutto bordo esterno e molto reattivo.

"È un bel trucco, "Miskin ha detto, "perché è qualcosa che puoi fare solo con questi sistemi su nanoscala".

Il bimorfo è costruito utilizzando la deposizione di strati atomici - "dipingendo" chimicamente strati atomicamente sottili di biossido di silicio su alluminio su un vetrino coprioggetto - quindi trasferendo a umido un singolo strato atomico di grafene sopra lo stack. Il risultato è il bimorfo più sottile mai realizzato.

Una delle loro macchine è stata descritta come "tre volte più grande di un globulo rosso e tre volte più piccola di un grande neurone" quando piegata. Impalcature pieghevoli di queste dimensioni sono state costruite in precedenza, ma la versione di questo gruppo ha un chiaro vantaggio.

"I nostri dispositivi sono compatibili con la produzione di semiconduttori, " Ha detto Cohen. "Questo è ciò che lo rende compatibile con la nostra visione futura della robotica su questa scala".

E a causa della forza relativa del grafene, Miskin ha detto, può gestire i tipi di carichi necessari per le applicazioni elettroniche.

"Se vuoi costruire questo esoscheletro elettronico, " Egli ha detto, "ne hai bisogno per essere in grado di produrre abbastanza forza per trasportare l'elettronica. Il nostro lo fa."

Per adesso, queste minuscole macchine non hanno applicazioni commerciali in elettronica, rilevamento biologico o altro. Ma la ricerca spinge avanti la scienza dei robot su scala nanometrica, ha detto McEuen.

"Proprio adesso, non ci sono "muscoli" per macchine di piccole dimensioni, " Egli ha detto, "così stiamo costruendo i muscoli su piccola scala."