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2019-11-07 15:45:28

化学工程师在催化化学反应中复制进料 对抗和飞行响应

合作和竞争是生物物种的基本本能,从最简单的单细胞生物到爬行动物,鱼类和灵长类动物,以及人类。这种动态行为 - 数百万年演化的结果 - 很难在合成系统中复制。然而,匹兹堡斯旺森工程学院的化学工程师在微观颗粒,薄片和催化剂的环境中重建了这些反应,有效地模仿了喂食,战斗和逃离的反应。

他们的研究“自驱动颗粒活性片之间的协作和完成”本周发表在美国国家科学院院刊上。首席研究员是Anna C. Balazs,斯旺森学校的John A. Swanson主席和化学与石油工程杰出教授。主要作者是Abhrajit Laskar,共同作者是Oleg E. Shklyaev,他们都是博士后同事。

作为这项工作的一部分,Balazs博士等人使用计算机模型设计了能够在充满流体的微型腔室中进行包裹,翻转和蠕动的化学活性薄板,充分发挥了创造灵活或“软化”机器人的潜力。流体环境。对于PNAS的文章,研究人员设计了流体系统,将催化剂涂层板材塑造成类似于具有四个“爪”的螃蟹形式,从而形成可以化学“捕获”其颗粒猎物的捕食者。

“随着我们开发未来的机器人技术和智能设备,了解模仿人造机器中生物功能的局限性非常重要。了解人工系统是否可以协作或竞争资源也很重要,”Balazs博士解释说。“如果我们能够复制这种相互依赖关系,我们可以帮助建立机器人或其他设备的基础,共同努力实现共同目标。”

为了影响这种行为,Balazs及其同事利用片材上的催化剂将反应物转化为微室内的产品。该反应产生化学组成和流体密度的变化,其将二维片材改变为3D“螃蟹”并推动螃蟹和颗粒在流体中。由于螃蟹在一个区域产生化学梯度,粒子通过试图从这个区域“逃离”而形成一个高度相互依赖的系统。

当第二只螃蟹被添加到液体中时,这种相互依赖性也影响了环境 - 一旦引入反应物,两只螃蟹模仿合作以“共享”颗粒。然而,如果引入更大的螃蟹,它将与较小的形状竞争以捕获所有颗粒本身。

“在某些情况下,大螃蟹不能捕捉到小颗粒,但是当我们添加更多的螃蟹时,它们似乎就像一群狼一样合作,”Shklyaev博士解释说。“同样,当一个更大的捕食者进入微室时,它产生的具有更大催化表面积的”饥饿“将主导较小捕食者的表现。”

Laskar博士说,该系统的简单性在于,唯一涉及的程序是将化学试剂引入系统。

“一旦我们将反应物添加到微室中,所有的仿生行为都会自发发生,”他说。“然后我们可以调整粒子对化学梯度的响应程度,因为不同的粒子会以不同的方式响应。因此改变甚至一种物体的性质会改变整个系统的相互依赖性。”

根据Balazs博士的说法,新发现表明能够在空间和时间内控制微室内的活动,从而使得薄片只能通过改变添加到溶液中的反应物来响应不同的命令。

“我们的计算揭示了指导微观物体执行特定功能的能力,例如运输细胞或构建复杂结构,”她说。“这些设计规则有可能使微流体设备的功能多样化,使它们能够完成更复杂的任务。”