(Phys.org)—Les chercheurs ont conçu un nouveau type de micro-engrenage qui tourne lorsque les micromoteurs se logent dans les coins des dents de l'engrenage. Les micromoteurs utilisent la solution de peroxyde d'hydrogène environnante comme carburant pour se propulser vers l'avant, qui à son tour fait tourner les micro-engrenages. À l'avenir, les minuscules engrenages pourraient être utilisés comme éléments de base pour fabriquer des micromachines autonomes.

Les chercheurs, Claudio Maggi, et al., d'Italie, Allemagne, et l'Espagne, ont publié un article sur les micro-engrenages dans un numéro récent de la revue Petit .

"Les outils modernes de la nanotechnologie peuvent être utilisés pour façonner la matière à l'échelle micronique et nanométrique avec un haut degré de contrôle structurel et morphologique, " Maggi, à l'Université de Rome, Raconté Phys.org . "Récemment, des chercheurs ont commencé à étudier des stratégies possibles pour "donner vie" à ces structures et leur fournir un mécanisme d'autopropulsion. Tout l'effort de miniaturisation des machines devient inutile, cependant, si un équipement volumineux et coûteux est toujours nécessaire pour piloter et contrôler la propulsion à l'échelle du micron. Pour cette raison, nous travaillons au développement de matériaux avancés, collectivement dénommés «matière active, ' qui peut convertir une source d'énergie intégrée en mouvement dirigé."

Les matières actives utilisées ici sont des micromoteurs sous forme de particules de Janus. Comme le dieu romain à deux visages, Les particules de Janus ont deux faces, ou surfaces, qui leur donnent un caractère asymétrique. Ici, un côté de chaque particule de 5 µm est revêtu de platine, de sorte que lorsque les particules sont immergées dans une solution de peroxyde d'hydrogène, ils se déplacent dans une direction.

Dans une solution contenant à la fois des particules de Janus et des micro-engrenages passifs de 8 µm, certaines des particules automotrices de Janus entrent en collision avec les micro-engrenages. Les particules de Janus s'orientent alors de manière autonome pour que leur direction de propulsion longe les flancs des engrenages, et leur élan vers l'avant les verrouille en place dans les dents des engrenages. Jusqu'à six particules Janus peuvent être logées dans les six dents des micro-engrenages.

Cette stratégie est similaire aux méthodes précédentes de déplacement de micro-objets qui utilisent le mouvement collectif de bactéries ou de micronageurs synthétiques. Cependant, toutes ces méthodes précédentes ont nécessité des concentrations élevées de bactéries/micronageurs et se sont déplacées de manière très aléatoire, rendant difficile le contrôle et la reproduction du mouvement.

Les plus grands avantages de la nouvelle méthode sont qu'elle fonctionne avec des concentrations de particules plus faibles et que le mouvement est hautement déterministe. Les chercheurs ont découvert que la vitesse de rotation du micro-engrenage augmente linéairement à mesure que le nombre de particules de Janus bloquées dans l'engrenage passe de 1 à 3. Avec 4 particules et au-delà, la vitesse s'aplatit puis commence à décroître, ce qui est probablement dû au fait que les particules Janus supplémentaires épuisent le carburant de peroxyde d'hydrogène de sorte que la vitesse de toutes les particules diminue.

"Nous avons maintenant démontré que les colloïdes actifs de Janus peuvent s'auto-assembler autour d'un rotor microfabriqué dans des configurations reproductibles avec un degré élevé d'ordre spatial et orientationnel, " a déclaré le coauteur Roberto Di Leonardo au Conseil national italien de la recherche, et le coordinateur du groupe de recherche. « L'interaction entre géométrie et comportement dynamique conduit à l'auto-assemblage de micromoteurs autonomes à partir de particules distribuées aléatoirement. En plus d'avoir un intérêt technologique évident, nos résultats démontrent que la compréhension des aspects fondamentaux des interactions dans les systèmes de matière active ouvre la voie à des micromachines hautement reproductibles et contrôlables pour les applications de laboratoire sur puce. »

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'étudier comment le réglage de la concentration de peroxyde d'hydrogène peut être utilisé pour contrôler la vitesse de rotation des micromoteurs. Le contrôle de la vitesse est essentiel pour les micromachines de laboratoire sur puce et d'autres applications.

La recherche a été financée par deux ERC Starting Grants et combine les progrès récents de la propulsion catalytique (Grant n. 311529) et de la mécanique statistique de la matière active (Grant n. 307940).

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