Учёные изобрели самодвижущиеся наностержни

Изящное изобретение представляет собой самую крошечную химическую батарейку и электромотор в одном лице. Авторы работы полагают, что в будущем такие устройства смогут приводить в действие наномашины.

Необычный мотор создаёт вдоль своих боков поток жидкости, в том числе ионов, и формирует электрическое поле. Их взаимодействие порождает движущую силу (зелёная стрелка) (иллюстрация Ran Liu, Ayusman Sen/ American Chemical Society).

Химики из университета Пенсильвании (Penn State) изготовили стержни длиной 3,6 микрометра и толщиной порядка 200 нанометров. При этом 3 микрометра в них составляет медь, а оставшиеся 0,6 мкм – платина.

Когда исследователи помещали такой стержень в разбавленный водный раствор окислителя (брома или йода), медь начинала работать как анод и окисляться, в то время как платина выступала в качестве катода.

Получившаяся нанобатарейка использовала свои металлы и внешние реагенты для проведения электрохимических реакций окисления и восстановления, что приводило к возникновению потоков ионов и перемещению самого раствора. Рождавшееся при этом электрическое поле толкало стержень в одну сторону (медным концом вперёд).

В зависимости от формы стержня (прямой или с изогнутым концом) авторы опыта получили линейное перемещение или вращение этого своеобразного нанодвигателя. Направление движения отмечено зелёными стрелками. Другие стрелки показывают перемещение электронов и ионов в ходе окислительно-восстановительных реакций (иллюстрация Ran Liu, Ayusman Sen/ American Chemical Society).

Получившийся эффект учёные называют самоэлектрофорезом. Взвешенные в растворе наностержни самостоятельно передвигаются за счёт явления, сходного с обычным электрофорезом, но без приложения внешнего поля.

Глядя на копошение наностержней, трудно отделаться от ощущения, что это живые бактерии. Кстати, учёные добились от своих изделий скорости более 10 микрометров в секунду. Для стержней длиной 3,6 мкм это очень солидная величина (кадр Ran Liu, Ayusman Sen/ American Chemical Society).

Время работы батарейки-мотора зависит от концентрации окислителя и длины медного фрагмента, сообщает PhysOrg.com. В своих опытах учёные варьировали эти параметры, получая от 40 секунд до минуты движения стержней. Оно прекращалось, когда вся медь окислялась, превращаясь, к примеру, в иодид меди.

Хотя движение стрежней в растворе на большом масштабе времени хаотично, по идее, им можно научиться управлять, говорят экспериментаторы. Если добавить в такой стержень магнитный материал, можно влиять на его ориентацию в пространстве внешним полем.

(Детали опыта можно посмотреть в статье в Journal of the American Chemical Society.)