Российские ученые представили электрохимический наноактуатор – устройство, выполняющее роль двигателя для автономных микроскопических устройств. Он работает за счет горения смеси водорода и кислорода в крошечных пузырьках, которые генерируются электродами. В аналогичных устройствах электроды быстро приходят в негодность из-за большой нагрузки, однако авторы выбрали в качестве материала для них рутений – хорошо проводящий ток, но при этом прочный металл. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованной в журнале Scientific Reports, позволят создать микроскопические двигатели для автономных микроустройств в биологии и медицине.

Слева – фотография устройства, в черном прямоугольнике расположен актуатор. Справа вверху – актуатор с концентрическими электродами, справа внизу – принципиальное устройство рабочей камеры. Источник: Uvarov & Svetovoy / Sci. Rep., 2022.

Механизм ускорения химических реакций на границе раздела вода-воздух, также называемый катализом на поверхности воды, пока до конца не понятен. Вместе с тем этот процесс уже считается достаточно эффективным для решения различных задач экологии, биологии и медицины. Так, например, реакции на пузырьках воздуха в воде способны помочь в очистке воды от токсинов, обезвреживании опасных для клеток активных форм кислорода или, напротив, их получении, чтобы уничтожить раковую опухоль.

Исследователи из ярославского филиала Физико-технологического института имени К. А. Валиева РАН (Ярославль) и Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН (Москва) предложили использовать одну из таких реакций, а именно самовозгорание смеси водорода и кислорода в нанопузырьках, в работе наноактуатора, или нанопривода – двигателя, с помощью которого можно управлять микроскопическими устройствами. В качестве последних могут выступать, например, лаборатории на чипе или имплантируемые контейнеры, периодически высвобождающие лекарство в организм человека.

Нанопривод представляет собой маленькую, немногим больше толщины волоса, рабочую камеру: на кремниевую пластинку нанесены электроды, боковые стенки камеры сделаны из фоточувствительного полимера, а верхняя стенка выполнена в виде эластичной мембраны. Камера заполнена электролитом – раствором, содержащим много ионов и поэтому способным проводить ток. На электроды подают переменное напряжение высокой частоты, вследствие чего вода расщепляется на кислород и водород и образуются нанопузырьки, содержащие эти газы – по сути, получается водородное топливо. Пузырьки поднимают мембрану, которая способна, например, толкать жидкость по микроканалам или выполнять другую механическую работу. Затем мембрана возвращается в исходное положение из-за самопроизвольной реакции между нанопузырьками водорода и кислорода. Полный цикл подъема мембраны и возвращения в исходное состояние занимает всего 100 миллисекунд – почти столько же времени требуется колибри для одного взмаха крыла, – а значит, удастся контролировать и довольно быстрые микромашины.

Большой проблемой такой системы стал слишком быстрый износ электродов из-за высоких механических напряжений, вызванных нановзрывами вблизи поверхности электродов. Авторы решили эту проблему, покрыв алюминиевые электроды слоем металла рутения – все еще хорошо проводящего ток, но достаточно прочного, чтобы выдержать нагрузку от взрывов. В результате устройство работало в течение как минимум пяти часов без снижения силы тока и признаков разрушения электродов (другие электроды, например, из золота, меди или платины, разрушались уже через минуту).

«Как правило, сжигание водородно-кислородной смеси невозможно в объемах меньше нескольких микролитров, поскольку в таком случае необходимое для реакции тепло уходит слишком быстро. В нашей же установке это оказалось возможным благодаря спонтанному горению газов в нанопузырьках», – рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Илья Уваров, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ЯФ ФТИАН РАН.

«Очень важно и то, что мы показали принципиальную возможность построения актуатора, работающего на „водном катализе”, зажигающем реакцию между газами в нанообъемах. Такой миниатюрный двигатель будет приводить в движение автономные микрожидкостные устройства в медицинских и биологических приложениях. Кроме того, можно заменить мембрану на более тонкую, например, из нитрида кремния, и тем самым сделать наноактуатор еще компактнее», – дополняет соавтор работы Виталий Световой, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИФХЭ РАН.