Le "tapis magique" présenté dans les contes des "Mille et une nuits" à "Aladdin" de Disney capte l'imagination non seulement parce qu'il peut voler, mais parce qu'il peut aussi onduler, rabat, et modifier sa forme pour servir ses cavaliers. Avec cette inspiration, et l'assistance de réactions chimiques catalytiques en solution, une équipe de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh a conçu un feuille à changement de forme qui se déplace de manière autonome dans un fluide rempli de réactif.

L'article, "Concevoir des automoteurs, feuilles chimiquement actives :Wrappers, clapets et lianes, " a été publié récemment dans la revue AAAS Avancées scientifiques . La chercheuse principale est Anna C. Balazs, la chaire John A. Swanson et professeur distingué de génie chimique et pétrolier à la Swanson School. L'auteur principal est Abhrajit Laskar, et co-auteur est Oleg E. Shklyaev, tous deux post-doctorants.

"Cela a longtemps été un défi en chimie de créer un objet non vivant qui se déplace tout seul dans un environnement, qui à son tour modifie la forme de l'objet, lui permettant de réaliser de toutes nouvelles tâches, comme piéger d'autres objets, " Le Dr Balazs a expliqué. " Les chercheurs ont précédemment fait des patchs chimiquement actifs sur une surface qui pourrait générer un écoulement de fluide, mais le flux n'a pas influencé l'emplacement ou la forme du patch. Et dans notre propre laboratoire, nous avons modélisé des particules sphériques et rectangulaires qui peuvent se déplacer de manière autonome dans une microchambre remplie de fluide. Mais maintenant, nous avons ce système intégré qui utilise une réaction chimique pour activer le mouvement du fluide qui transporte simultanément un objet flexible et "sculpte" sa forme, et tout se passe de manière autonome."

Le groupe a accompli cet exploit d'autopropulsion et de reconfiguration en introduisant un revêtement de catalyseurs sur la feuille souple, qui est à peu près la largeur d'un cheveu humain. L'ajout de réactifs au fluide environnant initie à la fois le mouvement du tapis et les changements de sa forme. "Au meilleur de nos connaissances, c'est la première fois que ces réactions chimiques catalytiques sont appliquées à des nappes 2D pour générer des flux qui transforment ces nappes en mobiles, objets 3D, " a déclaré le Dr Balazs.

Plus loin, en plaçant différents catalyseurs sur des zones spécifiques de la feuille et en contrôlant la quantité et le type de réactifs dans le fluide, le groupe a créé une cascade utile de réactions catalytiques où un catalyseur décompose un produit chimique associé, qui devient alors un réactif pour la suite de l'ensemble des réactions catalytiques. L'ajout de différents réactifs et la conception de configurations appropriées de la feuille permettent une variété d'actions - dans cette étude, emballer un objet, faire un mouvement de battement, et culbuter par-dessus des obstacles sur une surface.

« Un dispositif microfluidique qui contient ces feuilles actives peut désormais remplir des fonctions vitales, comme la navette de fret, saisissant un doux, objet délicat, ou même ramper pour nettoyer une surface, " a déclaré le Dr Shklyaev. " Ces micro-machines flexibles convertissent simplement l'énergie chimique en une reconfiguration et un mouvement spontanés, ce qui leur permet d'accomplir un répertoire de travaux utiles.

Le Dr Laskar a ajouté que si la feuille est découpée en forme de fleur à quatre pétales et placée sur la surface d'un dispositif microfluidique, la chimie des pétales peut être "programmée" pour s'ouvrir et se fermer individuellement, créer des portes qui effectuent des opérations logiques, ainsi que de générer des flux de fluides particuliers pour transporter les particules dans tout le dispositif.

"Par exemple, comme un gant de receveur, vous pouvez utiliser les pétales de la fleur pour piéger une boule microscopique et la maintenir pendant un temps fini, puis initier une nouvelle réaction chimique sur un autre ensemble de pétales afin que la balle se déplace entre eux dans un jeu d'attrape chimiquement dirigé, " a expliqué le Dr Laskar. " Ce niveau de contrôle spatial et temporel permet des réactions et des analyses par étapes que vous ne pourriez pas effectuer autrement avec des matériaux indéformables. "

Le groupe a également expérimenté le placement du catalyseur sur différentes parties de la feuille pour créer des mouvements spécifiques. Dans une expérience, placer le catalyseur uniquement sur le corps de la tôle, plutôt que la tête et la queue, déclencha un mouvement rampant étrangement similaire au mouvement d'une chenille. Dans une autre réalisation, lorsque des obstacles ont été placés devant la tôle enduite, il culbuterait par-dessus l'obstacle et continuerait à avancer, lui permettant de traverser un terrain accidenté.

"Cette recherche nous donne un meilleur aperçu de la façon dont la chimie peut conduire de manière autonome, actionnement et locomotion spontanés dans les dispositifs microfluidiques, " a déclaré le Dr Balazs. " Notre prochaine tâche est d'explorer la microfabrication en utilisant l'interaction et l'auto-organisation de plusieurs feuilles pour les réunir dans des architectures spécifiques conçues pour effectuer des tâches complexes, fonctions coordonnées. Aussi, en expérimentant différents stimuli tels que la chaleur et la lumière, nous pouvons concevoir des mobiles, Des micro-machines 3D qui adaptent leur forme et leur action aux changements de l'environnement. Ce niveau de comportement réactif est vital pour créer la prochaine génération de dispositifs robotiques logiciels. »