Los ingenieros descubren el entrelazamiento espontáneo de láminas de polímero 2D en espirales 3D que giran automáticamente

Los ingenieros descubren el entrelazamiento espontáneo de láminas de polímero 2D en espirales 3D que giran automáticamente
Los ingenieros descubren el entrelazamiento espontáneo de láminas de polímero 2D en espirales 3D que giran automáticamente

La espiral está presente en todo el universo, desde la molécula de ADN más pequeña hasta los helechos y los girasoles, y desde las huellas dactilares hasta las propias galaxias. En la ciencia, la ubicuidad de esta estructura está asociada con parsimonia — que las cosas se organizarán solas de la manera más simple o más económica.

Investigadores de la Universidad de Pittsburgh y la Universidad de Princeton descubrieron inesperadamente que este principio también se aplica a algunos sistemas no biológicos que convierten la energía química en acción mecánica, lo que permite que las láminas bidimensionales de polímero se eleven y giren en hélices espirales sin la aplicación de energía externa. .

Este autoensamblaje en estructuras tridimensionales coherentes representa la última contribución del grupo en el campo de la robótica blanda y los sistemas quimiomecánicos.

La investigación fue publicada este mes en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) Nexo. El autor principal es Raj Kumar Manna con Oleg E. Shklyaev, asociados postdoctorales con Anna Balazs, Profesora Distinguida de Ingeniería Química y Petrolera y la Cátedra de Ingeniería John A. Swanson en la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt. El autor colaborador es Howard A. Stone, Donald R. Dixon ’69 y Elizabeth W. Dixon Profesor de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en Princeton.

“A través del modelado computacional, colocamos láminas de polímero pasivas sin recubrimiento alrededor de un parche catalítico circular dentro de una cámara llena de líquido. Agregamos peróxido de hidrógeno para iniciar una reacción catalítica, que luego generó un flujo de fluido. Mientras que una sola lámina no giraba en el solución, múltiples láminas autoensambladas de manera autónoma en una estructura similar a una torre”, explicó Manna. “Luego, cuando la torre experimentó una inestabilidad, las láminas formaron espontáneamente una estructura entrelazada que gira en el fluido”.

Como señaló Balazs, “Todo se asemeja a un hilo de hilo retorcido formado por un huso giratorio, que se usaba para fabricar fibras para tejer. Excepto que no hay huso; el sistema forma naturalmente la estructura giratoria entrelazada”.

El flujo afecta la hoja que afecta el flujo.

Al analizar más a fondo los resultados, Manna descubrió que pequeñas fluctuaciones aleatorias en la concentración local del reactivo crean un par de torsión suficiente para que las cuatro láminas suspendidas en el fluido sean arrastradas hacia arriba, se entrelacen y giren. Este fenómeno de interconexión ocurre de forma innata cuando los reactivos y los productos tienen diferentes volúmenes, lo que crea un gradiente de densidad en presencia de la gravedad.

“Fue una sorpresa ver que estas simples láminas 2D formaban una espiral compleja simplemente ‘rociando’ el reactivo, como una cucharadita de glucosa, en la cámara”, dijo Balazs. “Duplicar el número de hojas a ocho aumentó la complejidad de la espiral. Nos preguntamos si esto era la punta del iceberg; si presionábamos más, ¿podríamos desarrollar los parámetros para lograr varios movimientos dinámicos, lo que sería fundamental en la programación suave? robótica”.

Shklyaev agregó: “Los dispositivos suelen ser tridimensionales y no bidimensionales, por lo que al crear las reglas de diseño, podríamos aumentar la complejidad de las estructuras giratorias formadas por las hojas. Anna proporcionó la inspiración con la pintura La Danse de Henri Matisse y preguntó si podríamos replicar las poses de los bailarines”.

Manna y Shklyaev luego agregaron extensiones a las cuatro hojas, creando estructuras en forma de T que se asemejan a brazos extendidos. Según Shklyaev, cambiar la forma de las sábanas les permitió “afinar” el movimiento de las sábanas para parecerse a una danza circular coordinada.

Según Balazs, los investigadores pueden cuantificar cómo deben diseñarse y organizarse las hojas interconectadas, lo que permite a otros desarrollar sistemas escalables más robustos. Además, la variación de la forma del recipiente que contiene el fluido, que era rectangular en su modelo, proporciona otra forma de adaptar la respuesta dinámica de los sistemas.

“Cuando tienes una liberación de energía química en un fluido, luego se transduce en energía mecánica, que puede realizar acciones específicas. Y aunque el proceso disipa energía, simplemente agregando otra pequeña cantidad de reactivo la reactiva”, dijo. “La próxima etapa en nuestro estudio es programar láminas pasivas y activas para formar otras estructuras tridimensionales entrelazadas, ahora que sabemos cómo controlar sus respuestas”.

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