Bin Bir Gece masallarından Aladdin’in Sihirli Lambası’na kadar birçok masalda yer alan “sihirli halı” sadece uçabildiği için değil, aynı zamanda sürücülerine hizmet etmek için dalgalanması, kanat çırpması ve şeklini değiştirebilmesi nedeniyle ilham kaynağı olmuştur. Bu ilham ve çözümlerde katalitik kimyasal reaksiyonların yardımı ile, Pittsburgh Üniversitesi Swanson Mühendislik Okulu’ndan bir ekip, reaktifle doldurulmuş bir akışkan içinde özerk olarak hareket eden iki boyutlu, şekil değiştiren bir tabaka tasarladı.
“Kendinden Tahrikli, Kimyasal Olarak Aktif Levhaların Tasarlanması” adlı makale; baş araştırmacı Anna C. Balazs, Kimya ve Petrol Mühendisliği Profesörü John A. Swanson, doktora sonrası araştırmacıları Abhrajit Laskar ve Oleg E. Shklyaev tarafından yakın zamanda yayınlanmıştır.
Dr. Balazs: “Kimyada, bir ortamda kendi başına hareket eden ve ardından nesnenin şeklini değiştiren, diğer nesneleri yakalama gibi yepyeni görevleri yerine getirmesine izin veren canlı olmayan bir nesne oluşturmak oldukça zordur. Araştırmacılar daha önce sıvı akışı oluşturabilecek bir yüzeyde kimyasal olarak aktif yamalar yapmışlardı, ancak bu akış yamanın yerini ya da şeklini etkilemiyordu. Bizler kendi laboratuvarımızda, sıvı dolu bir mikro raf içinde özerk olarak hareket edebilen küresel ve dikdörtgen parçacıkları modelledik. Şimdi akışkan hareketini aktive etmek için kimyasal bir reaksiyon kullanan bu entegre sisteme sahibiz.”
Grup, kabaca bir insan saçı genişliğinde olan esnek tabaka üzerinde bir katalizör kaplamasıyla bu kendi kendine tahrik ve yeniden yapılandırma başarısını gerçekleştirdi. Akışkanları çevreleyen reaktantların* eklenmesi, hem halının hareketini hem de şeklindeki değişiklikleri başlatır.
Dr. Balazs: “Bildiğimiz kadarıyla, katalitik kimyasal reaksiyonları, bu tabakaları hareketli 3D nesnelere dönüştüren akışkanlar üretmek için 2D tabakalara ilk kez uygulanmıştır.”
Ayrıca, tabakanın belirli alanlarına farklı katalizörler yerleştirerek ve akışkandaki reaktantların miktarını ve türünü kontrol ederek, grup, bir katalizörün ilişkili bir kimyasal maddeyi parçaladığı, ardından bir sonraki madde için reaktif hale gelen yararlı bir katalitik tepkimeler dizisi yarattı. Farklı reaktantların eklenmesi ve yaprağın uygun konfigürasyonlarının tasarlanması bu çalışmada olduğu gibi; bir nesneyi sarmalamak, kanat çırpma hareketi yapmak ve bir yüzeydeki engelleri aşmak gibi çeşitli eylemlere izin verir.
Dr. Shklyaev: “Bu esnek mikro makineler, kimyasal enerjiyi kendiliğinden yeniden yapılandırma ve harekete dönüştürerek, yararlı işlerin bir repertuarını gerçekleştirmelerini sağlar.”
Laskar, kağıdın dört yapraklı bir çiçek şeklinde kesilmesi ve mikroakışkan bir cihazın yüzeyine yerleştirilmesi halinde; yaprakların kimyasının, ayrı ayrı açılıp kapanacak şekilde “programlanabilir” olacağını ve böylece mantıksal işlemleri gerçekleştiren kapıları oluşturabileceğini, ayrıca cihaz boyunca parçacıkları taşımak için belirli akışları üretebileceğini ifade etti.
Dr. Laskar: “Örneğin, yakalayıcı bir el gibi, çiçeğin taç yapraklarını mikroskobik bir topu sıkıştırmak ve sınırlı bir süre boyunca tutmak için kullanabilirsiniz. Daha sonra kimyasal olarak yönetilen bir av oyunu gibi, topun aralarında hareket etmesi için farklı bir yaprak setinde yeni bir kimyasal reaksiyon başlatabilirsiniz. Bu mekânsal ve zamansal kontrol seviyesi, başka türlü deforme edilemeyen materyallerle yapamayacağınız aşamalı reaksiyonlara ve analizlere izin veriyor.”
Grup ayrıca, belirli hareketler oluşturmak için katalizörün tabakanın farklı kısımlarına yerleştirilmesini de denedi. Bir deneyde, katalizörü tabakanın sadece gövdesine yerleştirmek, bir tırtılın hareketine benzer şekilde “sürünme” hareketini tetikledi. Başka bir denemede; kaplanmış levhanın önüne engeller yerleştirildiğinde, engelin üzerinden geçecek ve engebeli bir araziyi geçmesine izin verecek şekilde hareket etmeye devam edecektir.
Dr. Balazs: “Bu araştırma bize kimyanın mikroakışkan cihazlarda özerk, kendiliğinden harekete geçme ve hareket kabiliyetini nasıl yönlendirebileceği konusunda daha fazla fikir veriyor. Bir sonraki görevimiz, karmaşık, koordine edilmiş işlevleri gerçekleştirmek üzere tasarlanan, belirli mimarileri bir araya getirmek için çoklu tabakaların etkileşimini ve kendi kendine organizasyonunu kullanarak mikrofabrikasyonu keşfetmek. Ayrıca, ısı ve ışık gibi farklı uyaranlarla deneyler yaparak, şekillerini ve hareketlerini ortamdaki değişikliklere adapte eden mobil, 3D mikro makineler tasarlayabiliriz. Bu duyarlı davranış seviyesi, gelecek nesil yumuşak robotik cihazların yaratılması için hayati öneme bir sahiptir. ”
*Reaktant: Kimyada ayıraç (veya reaktif, reajan, reaktant), belli bir bileşik ile karakteristik bir reaksiyona girebilen, ve bu sayede o bileşiğin varlığını hatta miktarını belirlemeye yarayan ve reaksiyondan ürün üretmeye yarayan bir bileşiktir.
