Chemisch angetriebene Räder „verwandeln“ sich in Zahnräder

Universität von Pittsburgh, PA

Das Zahnrad ist eines der ältesten mechanischen Werkzeuge und führte zu Maschinen, von frühen Bewässerungssystemen und Uhren bis hin zu modernen Motoren und Robotik. Forscher haben eine katalytische Reaktion genutzt, die dazu führt, dass sich ein zweidimensionales, chemisch beschichtetes Blech spontan in ein dreidimensionales Zahnrad „verwandelt“, das nachhaltige Arbeit leistet.

Die Ergebnisse deuten auf das Potenzial zur Entwicklung chemisch angetriebener Maschinen hin, die nicht auf externe Energie angewiesen sind, sondern lediglich die Zugabe von Reaktanten zur umgebenden Lösung erfordern. Computermodelle haben gezeigt, dass die chemomechanische Transduktion (Umwandlung chemischer Energie in Bewegung) an aktiven Schichten eine neuartige Möglichkeit darstellt, das Verhalten von Zahnrädern in Umgebungen ohne Zugang zu herkömmlichen Energiequellen zu reproduzieren.

In den Simulationen werden Katalysatoren an verschiedenen Stellen auf einer zweidimensionalen Platte platziert, die einem Rad mit Speichen ähnelt, mit schwereren Knoten am Umfang der Platte. Die etwa einen Millimeter lange flexible Folie wird dann in eine mit Flüssigkeit gefüllte Mikrokammer gelegt. Der Kammer wird ein Reaktant zugesetzt, der die Katalysatoren auf dem flachen „Rad“ aktiviert und so dazu führt, dass die Flüssigkeit spontan fließt. Der nach innen gerichtete Flüssigkeitsstrom treibt die leichteren Abschnitte des Blatts zum Aufspringen und bildet einen aktiven Rotor, der den Fluss auffängt und rotiert.

In der Natur nutzen Organismen chemische Energie, um ihre Form zu verändern und sich zu bewegen. Damit sich die neue chemische Schicht bewegen kann, muss sie sich auch spontan in eine neue Form verwandeln, die es ihr ermöglicht, den Flüssigkeitsfluss aufzufangen und ihre Funktion zu erfüllen.

Das Team stellte fest, dass nicht alle Getriebeteile chemisch aktiv sein mussten, damit Bewegung stattfinden konnte; Tatsächlich ist Asymmetrie entscheidend, um Bewegung zu erzeugen. Durch die Festlegung der Designregeln für die Platzierung konnten die Forscher die Drehung im oder gegen den Uhrzeigersinn steuern. Dieses zusätzliche „Programm“ ermöglichte die Steuerung unabhängiger Rotoren zur sequentiellen oder kaskadenartigen Bewegung mit aktiven und passiven Getriebesystemen. Diese komplexere Aktion wird durch die interne Struktur der Speichen und die Platzierung innerhalb des Flüssigkeitsbereichs gesteuert.

In Zukunft werden die Forscher untersuchen, wie die relative räumliche Organisation mehrerer Zahnräder zu einer größeren Funktionalität führen kann, und möglicherweise ein System entwerfen, das so wirkt, als würde es Entscheidungen treffen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Paul Kovach unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Tech Briefs Magazine.

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