Development and performance analysis of autonomous catalytic micropumps

Abstract

Uno de los principales retos de la ingeniería de nanomotores, además de las dificultades para fabricar objetos nanométricos complejos, es cómo proveerles de energía para que funcionen. La aplicación de campos externos es una forma común y fácil de impulsar motores relativamente grandes. Sin embargo, cuando el tamaño de los motores se hace más pequeño, la transferencia de energia desde la escala macroscópica a la nanoescala se vuelve más problemática. Por lo tanto, el desarrollo de sistemas a nivel de la nanoescala totalmente autónomos que puedan generar su propia energía para poder autopropulsarse es muy deseable. Los sistemas biológicos ofrecen numerosos ejemplos de micro/nano motores autónomos. El punto clave detrás de la eficiente maquinaria biológica es la conversión de energía química en movimiento direccional. Por lo tanto existe un alto interés en crear nuevos motores artificiales que puedan auto-impulsarse y realizar actividades autónomas de forma similar a la impresionante maquinaria molecular de los organismos vivos. Recientemente se ha comenzado una intensa actividad científica en el desarrollo de motores y sistemas de bombeo propulsados químicamente en base a la auto-generación local de gradientes. El presente trabajo de investigación trata sobre el concepto de microsistemas de bombeo catalítico que fue reportado por primera vez en 2005. Un microsistema de bombeo catalítico es un sistema activo que tiene la capacidad de inducir fenómenos electrohidrodinámicos a partir de una reacción (electro)química sobre una micro/nano estructura bimetálica. Aunque los dispositivos catalíticos han sido objeto de investigaciones anteriores en el que sus aplicaciones nanotecnológicas han comenzado a demostrarse, el mecanismo de actuación quimio-mecánica ha sido menos estudiado. Esto es en parte debido a la compleja interrelación que existe entre las reacciones catalíticas y los fenómenos electro-hidrodinámicos. Como consecuencia de ello todavía hay una serie de preguntas sin resolver que requieren mayor investigación para establecer el rol desempeñado por los diferentes procesos y lograr una mejor comprensión del mecanismo detrás de ellos. Por lo tanto, en esta tesis doctoral se ha realizado una caracterización exhaustiva de la actuación quimio-mecánica para entender los principales factores fisicoquímicos que regulan el mecanismo de funcionamiento de microbombas bimetálicas de Au- Pt en presencia de peróxido de hidrógeno como combustible. Las investigaciones han sido solventadas no sólo con resultados experimentales sino también con simulaciones numéricas. Estos estudios fundamentales son relevantes no sólo para estos sistemas de bombeos catalíticos, sino también para micro/nanomotores o nanorobots suspendidos en fluidos o coloides activos autopropulsados. Los estudios se han extendido también a otras estructuras bimetálicas ( Au- Ag , Au- Ru , Au -Rh , Cu - Ag , Cu - Ni, Ni- Ru y Ni- Ag) y a dispositivos semiconductores/metálicos ( Si dopado p / Pt , Si dopado n / Pt) con la idea de evaluar sus potencialidades como sistemas de bombeo catalítico en presencia del mismo combustible químico. En el caso de los sistemas metal/semiconductor su funcionamiento se basa en la fotoactivación de reacciones catalíticas, lo que proporciona un valor añadido a estas bombas y permite el desarrollo de nuevos interruptores foto-electrohidrodinámicos. Estos logros pueden abrir nuevas y prometedoras líneas de investigación en el campo de los actuadores y nanomotores catalíticos. El trabajo de tesis describe también una de las posibles aplicaciones de estos dispositivos activos que está relacionada con el transporte y depósito de materia en lugares específicos de un sustrato guiado por los fenómenos electrohidrodinámicos locales. Eso permite fabricar superficies nanoestructuradas de forma autónoma con un gran impacto nanotecnológico en una amplia gama de campos.

One of the main challenges in the engineering of nanomachines, besides the difficulties to fabricate complex nanometric objects, is how to power them. The application of external fields is a common and easy way to actuate relatively large machines. However, when the size of the machines becomes smaller, the transfer of power from the macroscopic scale to the nanoscale becomes problematic. Therefore, the development of fully autonomous nanoscale systems which can self-generate their required power is very desirable. Biological systems are the source of numerous examples of natural micro/nanoscale autonomous motors. The conversion of chemical energy into directional motion is the key point behind the high efficient nanofactory of biomolecular machines. Therefore there is a high interest to create novel artificial machines which can self-propel and perform autonomous activities in a similar way the impressive molecular machinery does in living organisms. Many research activities have recently focused on chemically powered motors and micropumps based on the local self-generation of gradients. The present research work deals with the catalytic micropump concept which was reported for the first time in 2005. A catalytic micropump is an active system which has the capability of triggering electrohydrodynamic phenomena due to an (electro)chemical reaction taken place on a micro/nano bimetallic structure. Although catalytic devices have been the subject of previous reports in which their nanotechnological applications have started to be demonstrated, the mechanism of the chemo-mechanical actuation has been less studied. That is in part due to the complex interrelation between the catalytic reactions and the electro-hydrodynamic phenomena. As a consequence there is still a number of intriguing questions that require further investigation for establishing the role played by the different processes and for achieving a better understanding of the mechanism behind them. Therefore, the research was focused on the full characterization of the chemomechanical actuation and the understanding of the main physicochemical factors governing the operating mechanism of Au-Pt bimetallic micropumps in presence of hydrogen peroxide fuel. The investigations were supported not only by experimental findings but also by numerical simulations. These fundamental studies are of high importance not only for catalytic micropumps but also for other autonomous micro/nano swimmers or active self-propelled colloids. The studies were also extended to other bimetallic structures (Au-Ag, Au-Ru, Au-Rh, Cu-Ag, Cu-Ni, Ni-Ru and Ni-Ag) and to semiconductor/metallic structures (p-doped Si/Pt, n-doped Si/Pt) to evaluate their potentialities as catalytic micropumps in presence of the same chemical fuel. In the last case photoactivation of the catalytic reactions can be accomplished which provides an added value to these pumps as novel photochemical-electrohydrodynamic switches. These achievements can open new and promising research activities in the field of catalytic actuators and nanomotors. The thesis work also describes one of the potential applications of these active devices which is related to the autonomous material guiding and self-assembly on particular locations of a sample. That allows fabricating nanostructured surfaces in an autonomous way with potential nanotechnological impact in a wide range of fields.