ナノバブル内のガスの自然燃焼を利用した耐久性のあるマイクロアクチュエータとして動作するナノリアクター

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20895 (2022) この記事を引用

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10 オルトメトリック

メトリクスの詳細

多くの最近の研究では、水の微小液滴または水中のナノバブル内部での化学反応の促進が報告されています。 反応加速のメカニズムはまだ明らかではありませんが、この発見は刺激的な応用を約束します。 具体的には、ナノバブル内の水素と酸素の自然燃焼により、真に微細なエンジンを製造する道が開かれます。 例としては、3 つの寸法すべてがマイクロメートル範囲にある電気化学膜アクチュエータがあります。 アクチュエータは極性が交互に変化する短い電圧パルスによって駆動され、ナノバブルのみを生成します。 ただし、デバイスの動作は、高電流密度に関連する電極の急速な劣化によって制限されます。 ここでは、ルテニウム電極を備えたアクチュエータが長期間の動作において劣化の兆候を示さないことが実証されています。 これは、極性が交互に変化する電気分解の極端な条件に耐えることができる唯一の材料です。 この特性は、酸化ルテニウムの高い機械的硬度と金属伝導性の組み合わせによるものです。 このアクチュエータは、不可能と考えられている 2 つの機能、水上触媒作用と微視的体積内での燃焼を組み合わせています。 これは、特に医療または生物学的用途向けの自律型マイクロデバイスを駆動する優れた機会を提供します。

現在、表面積対体積比が高い物体の水性界面の異常な化学活性に関する報告が多数あります1。 有機反応の加速は、空気中の微小液滴において明らかにされています2、3、4、5。 過酸化水素は 1 ～ 20 μm6 のサイズの微小液滴中で自発的に形成される可能性があることも報告されています。 これらの発見は、生物学および環境への応用に新たな可能性をもたらしますが、加速メカニズムはまだ不明です。 さらに、サイズが 1 μm より小さいバルクナノバブル (NB) では、説明のつかない化学プロセスが観察されています。 電子スピン共鳴分光法で観察されたように、収縮する空気のマイクロバブルは外部刺激なしで OH ラジカルを生成することができます 7,8。 空気、O\(_2\)、O\(_3\) ガスが充填された NB によって OH ラジカルが生成されることは、プローブ分子とは独立して確認されています9。 システム内には高エネルギー源がないため、フリーラジカルの生成は不可解な現象です。

H\(_2\) および O\(_2\) ガスの自然燃焼は、電極の極性が 20 kHz を超える周波数で交互に切り替わる、いわゆる極性交互 (AP) 電気化学プロセスで生成された NB で観察されています10。 、11． 反応によって生成される熱は、マイクロ流体デバイスを使用して測定されています12、13。 このような小さな体積では、熱が泡の壁を介してあまりにも早く逃げるため、通常の燃焼反応をサポートすることはできません14、15。 通常の燃焼が可能な最小の気泡のサイズは 2 mm16 でした。 それにもかかわらず、燃焼は局所温度の大幅な上昇なしに NB 内で自発的に進行します (詳細についてはレビュー 17 を参照)。

自然発火は、マイクロデバイスを駆動するための新しいアクチュエータの基本原理として使用することが提案されています12。 このようなアクチュエータは、小型 (3 つの寸法すべてがマイクロメートルの範囲内)、高速、かつ強力なものにすることができます。 最先端のピエゾ アクチュエータは、適切なストロークを生成するには数ミリメートルよりも小さくすることはできません 18、19、20、21。 また、駆動するには高電圧も必要です。 静電力を使用するアクチュエータは弱い 22、23、24 が、熱原理を使用するアクチュエータは遅い 25、26。 電気化学アクチュエータは、ガスが密閉室内で急速に生成されるため、遅いことで有名です 27、28、29、30、31、32。しかし、触媒特性を持つ電極を使用した場合でも、このガスを除去するには数分を要します 33、34。 我々は、NB 内のガスの自然燃焼を利用し、ピエゾ アクチュエータと同等の応答時間を有する電気化学アクチュエータを実証しました 35。 しかしながら、このような装置の主な問題は、電極の急速な劣化である。 一方で、爆発する NB からのエネルギー蓄積は、Pt などの化学的に不活性な電極に重大な局所応力を与えます 10,36。 一方、より硬い材料は酸化され、Ti の場合と同様に電流が減少します37。