나노버블 내 가스의 자연 연소를 사용하여 내구성 있는 마이크로액추에이터용으로 작동하는 나노반응기

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20895(2022) 이 기사 인용

800 액세스

1 인용

10 알트메트릭

측정항목 세부정보

최근 다수의 연구에서는 물의 미세 물방울이나 물 속 나노버블 내부의 화학 반응이 향상되었다고 보고합니다. 반응 가속의 메커니즘은 아직 명확하지 않지만 이 발견은 흥미로운 응용을 약속합니다. 특히, 나노버블 내 수소와 산소의 자연 연소는 진정한 미세한 엔진을 제작할 수 있는 길을 열어줍니다. 예를 들어 마이크로미터 범위의 3차원을 모두 갖춘 전기화학 멤브레인 액추에이터가 있습니다. 액츄에이터는 나노버블만 생성하는 교번 극성의 짧은 전압 펄스에 의해 구동됩니다. 그러나 높은 전류 밀도와 관련된 전극의 빠른 열화로 인해 장치 작동이 제한됩니다. 여기서는 루테늄 전극이 있는 액추에이터가 장기간 작동 시 성능 저하의 징후를 보이지 않는다는 것이 입증되었습니다. 교번 극성 전기 분해의 극한 조건을 견딜 수 있는 유일한 재료입니다. 이러한 특성은 산화루테늄의 높은 기계적 경도와 금속 전도성의 결합으로 인해 발생합니다. 액츄에이터는 불가능하다고 생각되는 두 가지 기능인 수중 촉매 작용과 미세한 부피의 연소를 결합합니다. 특히 의료 또는 생물학적 응용 분야를 위해 자율 마이크로 장치를 구동할 수 있는 탁월한 기회를 제공합니다.

오늘날 표면 대 부피 비율이 높은 물체에 대한 수성 인터페이스의 특이한 화학적 활성에 대한 많은 보고서가 있습니다1. 공기 중의 미세액적에서 유기 반응의 가속이 밝혀졌습니다2,3,4,5. 과산화수소는 1~20μm6 크기의 미세 방울에서 자발적으로 형성될 수 있다는 것도 보고되었습니다. 가속 메커니즘은 아직 불분명하지만 이러한 발견은 생물학적 및 환경적 응용에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다. 더욱이, 1μm보다 작은 크기의 벌크 나노버블(NB)에서는 설명할 수 없는 화학적 과정이 관찰되었습니다. 수축하는 공기 미세 기포는 전자 스핀 공명 분광학7,8에서 관찰된 것처럼 외부 자극 없이 OH 라디칼을 생성할 수 있습니다. 공기, O\(_2\) 및 O\(_3\) 가스로 채워진 NB에 의해 OH 라디칼이 생성된다는 것이 프로브 분자를 통해 독립적으로 확인되었습니다9. 자유라디칼의 형성은 시스템에 고에너지원이 없기 때문에 수수께끼 같은 현상입니다.

H\(_2\) 및 O\(_2\) 가스의 자연 연소는 소위 교번 극성(AP) 전기화학 공정에서 생성된 NB에서 관찰되었습니다. 이때 전극의 극성이 20kHz보다 높은 주파수로 교번됩니다10 ,11. 반응에 의해 생성된 열은 미세유체 장치를 사용하여 측정되었습니다. 열이 기포 벽14,15을 통해 너무 빨리 빠져나가기 때문에 이러한 작은 부피의 정상적인 연소 반응은 지원될 수 없습니다. 정상적인 연소를 점화할 수 있는 가장 작은 기포의 크기는 2mm16이었습니다. 그럼에도 불구하고 연소는 국지적 온도의 상당한 증가 없이 NB에서 자발적으로 진행됩니다(자세한 내용은 검토17 참조).

자연 연소는 마이크로 장치를 구동하는 새로운 액추에이터의 기본 원리로 사용하도록 제안되었습니다. 이러한 액추에이터는 작고(세 가지 치수가 모두 마이크로미터 범위에 있음) 빠르고 강할 수 있습니다. 가장 진보된 피에조 액츄에이터는 합리적인 스트로크를 생성하기 위해 몇 밀리미터보다 작을 수 없습니다. 또한 구동하려면 고전압이 필요합니다. 정전기력을 사용하는 액추에이터는 약하지만 열 원리를 사용하는 액추에이터는 느립니다. 전기화학 액츄에이터는 닫힌 챔버에서 가스가 빠르게 생성될 수 있기 때문에 느린 것으로 악명 높지만 촉매 특성이 있는 전극을 사용하더라도 이 가스를 제거하는 데 몇 분이 필요합니다. 우리는 NB에서 가스의 자연 연소를 사용하고 피에조 액추에이터의 응답 시간과 비슷한 응답 시간을 갖는 전기 화학적 액추에이터를 시연했습니다. 그러나 이러한 장치의 주요 문제점은 전극의 빠른 성능 저하입니다. 한편으로는 NB 폭발로 인한 에너지 증착은 Pt와 같은 화학적으로 불활성 전극에 상당한 국부적 응력을 제공합니다. 반면에, 더 단단한 재료는 산화되어 Ti에서 발생하는 전류37를 감소시킵니다.