Сотрудники Ярославского филиала Физико-технологического института РАН и Ярославского государственного университета имени П. Г. Демидова создали микромотор для разных микроустройств, который для работы использует горение водорода и кислорода в нанопузырьках. За счет использования специального режима электролиза воды скорость работы мотора удалось увеличить в сто тысяч раз. Прибор поможет сделать автономными миниатюрные устройства обработки медицинских анализов, что позволит получать результаты прямо во время приема. Кроме того, разработанный мотор подходит в качестве двигателя для автономных систем точной доставки инсулина и других лекарств. Работа опубликована в журнале Sensors and Actuators B: Chemical и поддержана Российским научным фондом.
В современном мире существует тенденция к миниатюризации различных систем, поскольку, во-первых, микросистемы дешевле для производства, например, микроэлектроника. Во-вторых, у них есть свойства, которых нет у больших систем, примером служит датчик столкновения для подушек безопасности. В-третьих, они могут оказаться более удобными для использования, как мобильный телефон. Важной и универсальной составляющей микросистем является актюатор – мотор, преобразующий электрическую энергию в механическое движение. В макромире мы используем для этой цели двигатели внутреннего сгорания или электромагнитные моторы, но и тот и другой не могут быть значительно уменьшены в размерах. Широкое применение микросистем ограничивается отсутствием быстрых и сильных микродвигателей.
«Наш проект был нацелен на создание микромотора, который использует горение водорода и кислорода в нанопузырьках. В результате нам удалось создать быстрый и сильный микроактюатор», – рассказывает Виталий Световой, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Ярославского филиала Физико-технологического института РАН.
Актюатор – это камера полмиллиметра в диаметре и 8 микрометров (толщина пищевой пленки) высотой, которая закрыта эластичной пластиной (мембраной). Камера содержит титановые электроды и заполнена подсоленной водой. Если через нее пропустить ток, то образуется газ, который толкает мембрану вверх. Мембрана играет такую же роль, как поршень двигателя внутреннего сгорания в автомобиле. Проблема была в том, чтобы быстро вернуть «поршень» в исходное положение, уничтожив образовавшийся газ. Для этого ученые попробовали быстро (за миллионные доли секунды) менять полярность тока (от одного полюса к другому). В этом случае разложение воды приводило к образованию невидимых глазом пузырьков водорода и кислорода с размером около 100 нанометров. Такие нанопузырьки также толкали мембрану вверх, но после выключения тока исчезали не за 100 секунд, а за тысячные доли секунды. В результате «поршень» можно было двигать вверх и вниз за 1-2 тысячных доли секунды. Быстрое исчезновение газа связывается с горением водорода и кислорода в нанопызурьках, где роль катализатора реакции играет сама поверхность пузырька.
«Прибор, который мы продемонстрировали, хорошо подходит в качестве двигателя для автономных систем точной доставки лекарств, например, инсулина. Он в десятки раз меньше существующих аналогов, в тысячу раз более точный и использует биосовместимые материалы», – подчеркивает исследователь.
Однако это не единственная область применения разработки. В последнее время широкое распространение получили микрофлюидные системы, манипулирующие микроскопическими количествами жидкости. Они позволяют производить химический, биологический и медицинский анализ, используя для этого крошечное количество жидкости. Созданный актюатор поможет, по словам ученых, сделать такие системы автономными до такой степени, что врач сможет получить результаты анализов пациента прямо во время приема.
