Nanorreatores em ação para um microatuador durável usando combustão espontânea de gases em nanobolhas

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 20895 (2022) Citar este artigo

800 acessos

1 Citações

10 Altmétrico

Detalhes das métricas

Vários estudos recentes relatam aumento de reações químicas em microgotículas de água ou dentro de nanobolhas na água. Esta descoberta promete aplicações interessantes, embora o mecanismo de aceleração da reação ainda não esteja claro. Especificamente, a combustão espontânea de hidrogênio e oxigênio em nanobolhas abre caminho para a fabricação de motores verdadeiramente microscópicos. Um exemplo é um atuador de membrana eletroquímica com todas as três dimensões na faixa micrométrica. O atuador é acionado por pulsos curtos de tensão de polaridade alternada, que geram apenas nanobolhas. A operação do dispositivo é, no entanto, restringida por uma rápida degradação dos eletrodos relacionada a uma alta densidade de corrente. Aqui é demonstrado que o atuador com eletrodos de rutênio não apresenta sinais de degradação na operação a longo prazo. É o único material capaz de suportar as condições extremas da eletrólise de polaridade alternada. Esta propriedade se deve à combinação de alta dureza mecânica e condutividade metálica do óxido de rutênio. O atuador combina duas características consideradas impossíveis: catálise em água e combustão em volume microscópico. Ele oferece uma oportunidade excepcional para acionar microdispositivos autônomos, especialmente para aplicações médicas ou biológicas.

Hoje, há uma série de relatos sobre atividades químicas incomuns de interfaces aquosas para objetos com alta relação superfície-volume1. A aceleração das reações orgânicas foi revelada em microgotículas no ar2,3,4,5. Foi relatado também que o peróxido de hidrogênio pode ser formado espontaneamente em microgotículas com tamanho de 1 a 20 μm6. Estas descobertas abrem novas possibilidades para aplicações biológicas e ambientais, embora o mecanismo de aceleração ainda não esteja claro. Além disso, processos químicos inexplicáveis ​​​​foram observados em nanobolhas (NBs) com tamanho menor que 1 μm. O encolhimento das microbolhas de ar é capaz de produzir radicais OH sem qualquer estímulo externo, como foi observado na espectroscopia de ressonância de spin eletrônico . Foi confirmado independentemente com moléculas de sonda que os radicais OH são produzidos por NBs preenchidos com ar, gases O\(_2\) e O\(_3\)9. A formação de radicais livres é um fenômeno intrigante, uma vez que não há fontes de alta energia no sistema.

A combustão espontânea dos gases H\(_2\) e O\(_2\) tem sido observada em RNs produzidos em um processo eletroquímico chamado de polaridade alternada (AP), quando a polaridade dos eletrodos se alterna com frequência superior a 20 kHz10 ,11. O calor produzido pela reação foi medido utilizando dispositivos microfluídicos . As reações normais de combustão num volume tão pequeno não podem ser suportadas, porque o calor escapa muito rapidamente através das paredes da bolha14,15. A menor bolha, onde foi possível acender a combustão normal, tinha tamanho de 2 mm16. No entanto, a combustão prossegue espontaneamente nos RNs sem um aumento significativo na temperatura local (ver revisão17 para detalhes).

A combustão espontânea foi proposta para ser utilizada como princípio básico para um novo atuador para acionar microdispositivos12; tal atuador pode ser pequeno (com todas as três dimensões na faixa de micrômetros), rápido e forte. Os atuadores piezoelétricos mais avançados não podem ser menores que alguns milímetros para produzir um curso razoável18,19,20,21. Eles também precisam de alta tensão para acioná-los. Os atuadores que utilizam forças eletrostáticas são fracos22,23,24, mas aqueles que utilizam o princípio térmico são lentos25,26. Os atuadores eletroquímicos são notoriamente lentos27,28,29,30,31,32, pois o gás pode ser produzido rapidamente em uma câmara fechada, mas são necessários minutos para se livrar desse gás mesmo utilizando eletrodos com propriedades catalíticas33,34. Demonstramos o atuador eletroquímico que utiliza a combustão espontânea de gases em NBs e tem tempo de resposta comparável ao dos atuadores piezoelétricos35. No entanto, o principal problema de tais dispositivos é a rápida degradação dos eletrodos. Por um lado, a deposição de energia da explosão de NBs fornece tensões locais significativas em eletrodos quimicamente inertes, como Pt. Por outro lado, materiais mais duros são oxidados resultando na redução da corrente37 como ocorre com o Ti.