Химики из Университетов Калифорнии (США) и Алькалы (Испания) создали первые каталитические микроракеты с отложенным пуском. При погружении в раствор, содержащий «топливо», частицы начинают двигаться не сразу, а с задержкой, которая может достигать получаса. Размер ракет в несколько раз меньше толщины человеческого волоса. Считается, что подобные устройства могут найти применение в доставке лекарств или, например, в очистке сточных вод. Исследование опубликовано в журнале Chemical Communications, кратко о нем сообщает ChemistryWorld.

Каталитические микроракеты представляют собой полые трубки, на внутренней части которых нанесен катализатор — вещество, способное ускорять определенные химические реакции. К примеру, в роли катализатора может выступать тонкий слой платины, она способна ускорять распад перекиси водорода на воду и кислород. Выделяющийся внутри трубки газ выходит из нее, формируя «реактивную струю» из пузырьков. Каждый такой пузырек немного подталкивает трубку-ракету, и та начинает двигаться в жидкости, развивая скорость до 400 своих длин в секунду. 

Тип движения микроракеты зависит от того, как много в ней дефектов. Adrián Jodra et al. / Chemical Communications, 2016

Чтобы контролировать направление движения такой системы, как правило требуется внешнее воздействие. К примеру, некоторые реакции требуют освещения. Также на микроракете можно разместить магнитный фрагмент, который сможет взаимодействовать с магнитным полем. Начало ее движения также можно инициировать внешним воздействием, но авторы новой работы нашли способ встроить систему обратного отсчета в микроракету.

Химики предложили использовать вместо чистого платинового катализатора его сплав с медью, не способной ускорять разложение перекиси водорода. В таком случае микроракета, даже будучи погруженной в перекись, не начнет двигаться сразу. Это связано с тем, что активность катализатора зависит от его эффективной площади — от того, как много молекул перекиси водорода могут единовременно напрямую взаимодействовать с платиной. В сплаве эта площадь невелика.

А — эксперимент по измерению задержки до начала движения в растворах с разной концентрации. B — зависимость скорости ракет от концентрации и времени от начала эксперимента. Adrián Jodra et al. / Chemical Communications, 2016

Однако медь в растворе перекиси, содержащем электролиты, оказывается подвержена гальванической коррозии. В паре с платиной она оказывается жертвенным металлом и постепенно окисляется, обнажая активный катализатор. Скорость этого процесса зависит от концентрации электролитов (солей), перекиси водорода и кислотности среды. Авторы протестировали микроракеты в естественных средах с добавкой перекиси в один процент: так, в морской воде задержка движения составила около 8 минут, а в желудочном соке — около 40 минут.

Сплав платины и меди до гальванической коррозии (B) и после реакции в 1-процентном растворе перекиси. Adrián Jodra et al. / Chemical Communications, 2016

Характер движения ракет варьировался от частицы к частице. Так, микротрубки с существенными дефектами в геометрии вращались и описывали круги. Если уровень дефектов был небольшим химики наблюдали прямолинейное движение. 

Частицы, движущиеся за счет катализа химических реакций, не обязательно имеют форму ракеты. Таких «пловцов» можно создать, например, на базе сферической частицы, половину которой можно покрыть катализатором. Недавно мы сообщали о создании «пловцов» сложного строения с помощью методики трафаретной 2D-печати. Они состоят из нескольких слоев, несущих различные функции: движение, чувствительность к магнитным полям и сорбция загрязнений с поверхности жидкости.

Автор: Владимир Королёв