В современном мире существует тенденция к миниатюризации различных систем, поскольку, во-первых, микросистемы дешевле для производства, например, микроэлектроника. Во всех микросистемах есть 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 нельзя сильно уменьшить в размерах. Широкое применение микросистем ограничивается отсутствием быстрых и сильных микродвигателей.
Видео: Движение мембраны в микромоторе, похожей на поршень двигателя внутреннего сгорания (вид сбоку). Видео сделано скоростной камерой и замедлено в 667 раз. Источник: Виталий Световой.
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 Виталий Световой, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Ярославского Филиала Физико-Технологического Института РАН.
Фото: Схема движения мембраны в микромоторе. Источник: Виталий Световой.
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.
Исследование проводили сотрудники Ярославского Филиала Физико-Технологического Института РАН и Ярославского государственного университета имени П. Г. Демидова.
