Nanoreaktoren im Einsatz für einen langlebigen Mikroaktuator, der die spontane Verbrennung von Gasen in Nanobläschen nutzt

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 20895 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Eine Reihe neuerer Studien berichten über die Verstärkung chemischer Reaktionen an Wasser-Mikrotröpfchen oder im Inneren von Nanobläschen im Wasser. Dieser Befund verspricht spannende Anwendungen, auch wenn der Mechanismus der Reaktionsbeschleunigung noch unklar ist. Insbesondere die spontane Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff in Nanobläschen eröffnet den Weg zur Herstellung wirklich mikroskopischer Motoren. Ein Beispiel ist ein elektrochemischer Membranaktor mit allen drei Dimensionen im Mikrometerbereich. Der Aktor wird durch kurze Spannungsimpulse wechselnder Polarität angetrieben, die ausschließlich Nanobläschen erzeugen. Der Betrieb des Geräts wird jedoch durch eine schnelle Degradation der Elektroden aufgrund einer hohen Stromdichte eingeschränkt. Hier wird gezeigt, dass der Aktor mit Rutheniumelektroden im Langzeitbetrieb keine Degradationserscheinungen zeigt. Es ist das einzige Material, das den extremen Bedingungen der Elektrolyse mit wechselnder Polarität standhält. Diese Eigenschaft ist auf die Kombination aus hoher mechanischer Härte und metallischer Leitfähigkeit von Rutheniumoxid zurückzuführen. Der Aktuator vereint zwei Eigenschaften, die als unmöglich gelten: Katalyse auf dem Wasser und Verbrennung in einem mikroskopischen Volumen. Es bietet eine außergewöhnliche Möglichkeit, autonome Mikrogeräte insbesondere für medizinische oder biologische Anwendungen anzutreiben.

Heutzutage gibt es eine Reihe von Berichten über ungewöhnliche chemische Aktivitäten wässriger Grenzflächen bei Objekten mit einem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen1. Die Beschleunigung organischer Reaktionen wurde in Mikrotröpfchen in der Luft nachgewiesen2,3,4,5. Es wurde auch berichtet, dass Wasserstoffperoxid spontan in Mikrotröpfchen mit einer Größe von 1 bis 20 μm6 gebildet werden kann. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten für biologische und ökologische Anwendungen, obwohl der Beschleunigungsmechanismus noch unklar ist. Darüber hinaus wurden ungeklärte chemische Prozesse in großen Nanobläschen (NBs) mit einer Größe von weniger als 1 μm beobachtet. Schrumpfende Luftmikroblasen sind in der Lage, ohne äußere Reize OH-Radikale zu produzieren, wie mit der Elektronenspinresonanzspektroskopie7,8 beobachtet wurde. Es wurde unabhängig mit Sondenmolekülen bestätigt, dass OH-Radikale von mit Luft, O\(_2\) und O\(_3\)-Gasen gefüllten NBs erzeugt werden9. Die Bildung freier Radikale ist ein rätselhaftes Phänomen, da es im System keine energiereichen Quellen gibt.

In NBs, die in einem sogenannten elektrochemischen Prozess mit alternierender Polarität (AP) hergestellt wurden, wurde eine spontane Verbrennung von H\(_2\)- und O\(_2\)-Gasen beobachtet, bei der die Polarität der Elektroden mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz wechselt10 ,11. Die durch die Reaktion erzeugte Wärme wurde mit mikrofluidischen Geräten gemessen12,13. Die normalen Verbrennungsreaktionen in einem so kleinen Volumen können nicht unterstützt werden, da die Wärme zu schnell über die Blasenwände entweicht14,15. Die kleinste Blase, in der die normale Verbrennung gezündet werden konnte, hatte eine Größe von 2 mm16. Dennoch verläuft die Verbrennung in NBs spontan ohne einen signifikanten Anstieg der lokalen Temperatur (Einzelheiten siehe Übersicht 17).

Es wurde vorgeschlagen, die Selbstentzündung als Grundprinzip für einen neuen Aktor zum Antrieb von Mikrogeräten zu nutzen12; Ein solcher Aktuator kann klein (mit allen drei Dimensionen im Mikrometerbereich), schnell und stark sein. Die fortschrittlichsten Piezoaktoren können nicht kleiner als einige Millimeter sein, um einen angemessenen Hub zu erzeugen18,19,20,21. Außerdem benötigen sie eine Hochspannung, um sie anzutreiben. Die Aktuatoren, die elektrostatische Kräfte nutzen, sind schwach22,23,24, aber diejenigen, die das thermische Prinzip nutzen, sind langsam25,26. Die elektrochemischen Aktuatoren sind notorisch langsam27,28,29,30,31,32, da das Gas in einer geschlossenen Kammer schnell erzeugt werden kann, aber man braucht Minuten, um dieses Gas loszuwerden, selbst wenn man Elektroden mit katalytischen Eigenschaften verwendet33,34. Wir haben den elektrochemischen Aktor demonstriert, der die spontane Verbrennung von Gasen in NBs nutzt und dessen Reaktionszeit mit der der Piezoaktoren vergleichbar ist35. Das Hauptproblem solcher Geräte ist jedoch eine schnelle Verschlechterung der Elektroden. Einerseits führt die Energiedeposition durch explodierende NBs zu erheblichen lokalen Spannungen10,36 auf chemisch inerten Elektroden wie Pt. Andererseits werden härtere Materialien oxidiert, was zu einer Verringerung des Stroms37 führt, wie dies bei Ti der Fall ist.

In diesem Artikel stellen wir einen elektrochemischen Mikroaktuator vor, der Wasserstoff- und Sauerstoff-NBs in einer winzigen geschlossenen Kammer produziert und diese Gase innerhalb von Millisekunden durch den spontanen Verbrennungsprozess in NBs verbraucht. Das Gerät verwendet Rutheniumelektroden, die aufgrund der hohen Härte und metallischen Leitfähigkeit von Rutheniumoxid keine Anzeichen einer Verschlechterung zeigen.

Der Aktor wird auf einem 460 μm dicken Siliziumwafer hergestellt, der mit einer thermisch gewachsenen SiO\(_2\)-Schicht mit einer Dicke von 0,9 μm bedeckt ist. Zur Vereinfachung der Handhabung hat der Chip seitliche Abmessungen von \(20\times\) mm\(^2\) mit einer Arbeitskammer in seinem zentralen Teil, wie in Abb. 1 gezeigt. Der Durchmesser der Kammer beträgt 500 μm Die Höhe beträgt 16 μm. Die Kammer enthält zwei Elektroden und wird als elektrochemische Zelle verwendet. Die Kontaktleitungen einschließlich der Elektroden sind zweischichtig ausgeführt, um den Widerstand der Leitungen zu verringern. Die untere Schicht besteht aus Aluminium mit einer Dicke von 500 nm. Auf Al wird eine 150 nm dicke Arbeitsschicht aus Ruthenium abgeschieden. Die Elektroden werden wie folgt hergestellt. Zuerst wird eine 10 nm dicke Haftschicht aus Ti auf dem Substrat abgeschieden, gefolgt von der Abscheidung von Al (500 nm). Das Muster der Elektroden wird in der Fotolackschicht Microposit S1813 SP15 mit der anschließenden Abscheidung von Ti (10 nm) und Ru (150 nm) gebildet. Alle metallischen Schichten werden magnetrongesputtert. Der Abhebeprozess wird durchgeführt, um das Elektrodenmuster in Ru zu erzeugen, dann wird die Ti/Al-Schicht über die Ru-Maske chemisch weggeätzt. Das konzentrische Design der Elektroden sorgt im Vergleich zu anderen möglichen Konfigurationen für die höchste Membranauslenkung.

Die Seitenwände der Kammer und der Füllkanäle (100 μm breit) bestehen aus einer 16 μm dicken Schicht SU-8 3005-Fotolack. Die Kammer ist durch eine flexible Polydimethylsiloxan-Membran (PDMS) mit einer Dicke von 30 μm abgedichtet. Zur Versiegelung wird ein separater Si-Wafer mit einer 30 μm dicken PDMS-Schicht bedeckt. PDMS Sylgard 184 von Dow Corning wird mit einem Grund- und Härtergemisch im Verhältnis 10:1 verwendet. Ein dicker (4,7 mm) Hilfsblock aus PDMS mit einer kreisförmigen Öffnung (8 mm Durchmesser) in der Mitte ist mit der 30 μm dicken PDMS-Schicht verbunden. Aufgrund der schwachen Haftung zwischen Si und PDMS kann der von der 30 μm-Membran bedeckte Block leicht vom Wafer getrennt werden. Das Verfahren wurde ausführlich beschrieben35. Abschließend wird der Block mit der Membran mit der in38 vorgeschlagenen Methode mit der SU-8-Schicht verbunden.

Um den Abbau verschiedener Elektrodenmaterialien zu testen, wurden spezielle Proben hergestellt, die konzentrische Elektroden enthalten. Diese Proben enthielten keine Kammer und wurden in einer Petrischale mit einer ausreichenden Menge Elektrolyt getestet. Für Ru, Ti und Au wurde eine 100 nm dicke Deckschicht auf einer 500 nm dicken Al-Schicht abgeschieden. Für Cu hatten die Elektroden eine Dicke von 500 nm (abgeschieden auf einer 10 nm dicken Ti-Klebeschicht) und enthielten keine Al-Unterschicht.

Als Elektrolyt wird eine molare Lösung von Natriumsulfat in destilliertem Wasser verwendet. Die mit Mettler Toledo SevenMulty gemessene Leitfähigkeit des Elektrolyten beträgt \(\sigma _0=15\) S/m bei Raumtemperatur 25\(^\circ\)C und steigt mit der Temperatur um den thermischen Koeffizienten \(\alpha =0,024\ ) K\(^{-1}\). Die Kammer wird über die Öffnungen im PDMS-Block, die mit den Kanälen in der SU-8-Schicht verbunden sind, mit dem Elektrolyten gefüllt.

Der Aktuator wird von einem selbstgebauten computergesteuerten Generator angetrieben. Die an die Kontaktpads angelegten Spannungsimpulse werden vom Mikrocontroller STM32F051R8T6 mithilfe der direkten digitalen Synthesemethode erzeugt und durch einen zuvor beschriebenen eingebauten Leistungsverstärker der Klasse AB 20-fach verstärkt39. Die durch die Elektroden fließende Antriebsspannung und der Strom werden von einem 4-Kanal-USB-Oszilloskop 5444D registriert. Zwei weitere Kanäle dienen zur Erfassung der Ausgangssignale des Homodyn-Quadratur-Interferometers, mit dem die Membranauslenkung gemessen wird. Das optische Schema des Interferometers und die Art und Weise, die Ablenkung aus dem Rohsignal zu berechnen, werden in35 beschrieben. Für die interferometrischen Messungen wird eine 20 nm dicke Al-Schicht auf die Membran aufgebracht, um deren Reflektivität zu erhöhen.

Die Verschlechterung der Elektroden wird visuell mithilfe eines optischen Mikroskops überprüft, das mit einer Moticam 1SP-Kamera ausgestattet ist. Die chemische Zusammensetzung wird mit einem energiedispersiven Röntgenspektrometer INCA x-ACT von Oxford Instruments bestimmt, das in das Rasterelektronenmikroskop (REM) Zeiss Supra 40 eingebaut ist. Die Messungen werden bei einer Beschleunigungsspannung von 6 kV durchgeführt. Die Oberfläche der Elektroden wird mit REM und Rasterkraftmikroskop (AFM) Smart-SPM 1000 (AIST-NT) analysiert. Letzteres wird im Tapping-Modus verwendet.

Die an die elektrochemische Zelle im AP-Prozess angelegte Spannung ist in Abb. 1a für die Antriebsfrequenz \(f=100\) kHz dargestellt. Dabei wird die gleiche Elektrode abwechselnd als Kathode und als Anode verwendet, wobei die Schaltzeit im Mikrosekundenbereich liegt. Der durch die Zelle fließende Strom ist in Abb. 1b dargestellt. Für jeden Impuls wird die Zeitabhängigkeit des Stroms durch die Funktion \(I(t)=I_F+I_ce^{-t/\tau }\) gut beschrieben, wobei \(I_F\) der Faraday-Strom während des Impulses ist, \(I_c\) ist die Lade-Entlade-Amplitude und \(\tau\) ist die Zeitkonstante. Die Diffusion ist zu langsam, um den Strom auf die Zeitskala von Mikrosekunden zu begrenzen. Der Prozess wird durch die Konvektion in der Nähe der Elektrode dominiert und wird durch die Diffusion auf der Zeitskala \(t\sim L^2 D\sim 1\) s begrenzt, wobei \(L=50\ \mu\)m der Abstand dazwischen ist die Elektroden und \(D\sim 10^{-9}\) m\(^2\)/s ist der Elektrolytdiffusionskoeffizient. Das Vorhandensein des Faraday-Stroms bedeutet, dass Gase erzeugt werden, es bilden sich jedoch keine Blasen, die sichtbares Licht stark streuen10. Im Gegensatz zur normalen Elektrolyse erzeugt der hochdichte Faraday-Strom H\(_2\)- und O\(_2\)-NBs über derselben Elektrode, und aufgrund der erheblichen Variation des Brechungsindex wird routinemäßig eine Wolke von NBs sichtbar, die die Elektroden bedeckt der Lösung17. Die Größe von NBs wurde mit der dynamischen Lichtstreuung39 mit 60–80 nm gemessen.

Der zum Testen vorbereitete Chip ist in Abb. 1c dargestellt. Eine vergrößerte Ansicht der Kammer ist in Tafel d dargestellt und der Querschnitt des Geräts ist schematisch in Tafel e dargestellt. Wenn die Impulse kontinuierlich an die Elektroden angelegt werden, erhöht sich \(I_F\), wie in Abb. 1f dargestellt.

Aktor- und Antriebsimpulse. (a) An die Elektroden angelegte Spannung mit wechselnder Polarität. (b) Strom, der durch die elektrochemische Zelle fließt. Für jeden Impuls wird der Strom durch die Faraday- und Lade-Entlade-Komponenten beschrieben; die entsprechenden Passungen sind durch die schwarzen Kurven dargestellt. (c) Optisches Bild des Geräts; Der Aktuator befindet sich innerhalb des schwarzen Rechtecks. (d) Kammer des Aktors mit den konzentrischen Elektroden. (e) Schematische Ansicht des Geräts (Querschnitt) mit Darstellung der Kammer mit den von der PDMS-Membran bedeckten Elektroden und Öffnungen zum Befüllen der Kammer mit dem Elektrolyten. (f) Faraday-Strom als Funktion der Zeit für die Antriebsfrequenz 100 kHz (1) und 500 kHz (2).

Der Stromanstieg mit der Zeit wird durch die Erwärmung der Lösung erklärt. Wenn der Elektrolyt im nahen Elektrodenbereich erhitzt wird, wächst der Faraday-Strom aufgrund der Erhöhung der Leitfähigkeit als \(I_F(T)=I_0\left[ 1+\alpha (T-T_0)\right]\), wobei T ist die aktuelle Temperatur, \(T_0\) ist die Raumtemperatur und \(I_0=I_F(T_0)\). Diese Abhängigkeit kann ähnlich wie beim Widerstandsthermometer als Thermometer genutzt werden. Das Anwachsen des Stroms kann jedoch nicht durch die Joulesche Erwärmung erklärt werden, da der Effekt von der Frequenz der Antriebsimpulse abhängt, wie in Abb. 1f zu sehen ist. Die Temperaturabhängigkeit des Stroms zeigt, dass die Flüssigkeit in der Kammer auf \(18^{\circ }\) und \(24^{\circ }\)C für \(f=100\) und 500 kHz erhitzt wird, jeweils. Die Erwärmung ist tatsächlich auf die spontane Reaktion zwischen H\(_2\) und O\(_2\) NBs12 zurückzuführen. Die gleiche Reaktion ist für einen schnellen Druckabbau in der Kammer verantwortlich, wenn die Impulse abgeschaltet werden.

Charakterisierung des Aktors bei \(f=500\) kHz. (a) Auslenkung der Membran durch eine 20-ms-Impulsreihe. Die Diagramme zeigen eine Betriebsperiode des Aktuators bei der zyklischen Frequenz \(f_c=10\) Hz mit der Amplitude der AP-Impulse 12 V (1), 10 V (2) und 8 V (3). (b) Maximale Auslenkung der Membran als Funktion der Amplitude der Antriebsimpulse. (c) Schema der Spannung, die den Aktuator im zyklischen Betriebsmodus versorgt. Die wichtigen Merkmale werden aufgezeigt. (d) Zyklischer Betrieb des Aktors für die Frequenzen \(f_c=10, 30,\) und 200 Hz. Bei 10 und 30 Hz beträgt die aktive Zeit 20 ms. Für \(f_c=200\) Hz beträgt die aktive Zeit 3 ms und die Amplitude der Impulse beträgt \(U=14,2\) V.

Abbildung 2a zeigt die Auslenkung der Membran als Funktion der Zeit, wenn eine Reihe von 20 ms langen AP-Impulsen an die Ru-Elektroden angelegt wird. Während dieser Zeit wird die Membran durch die in der Kammer produzierten NBs nach oben gedrückt. Wenn die Impulse ausgeschaltet werden, rekombinieren die NBs mit unterschiedlichen Gasen durch Selbstentzündung. Die Blasen, die das gleiche Gas enthalten, sind aufgrund der Abstoßung der auf ihren Oberflächen adsorbierten negativen Ladungen vor dem Verschmelzen geschützt40, aber dennoch verschmelzen sie langsam durch den Ostwald-Reifungsmechanismus. Wenn zwei Blasen durch eine Flüssigkeitsmembran getrennt sind, können sie ihren Inhalt durch Diffusion mit einer Geschwindigkeit austauschen, die proportional zum Konzentrationsunterschied ein und desselben Gases in den Blasen ist. Bei Blasen mit demselben Gas ist dieser Unterschied gering, bei Blasen mit unterschiedlichen Gasen ist der Unterschied jedoch maximal und Sauerstoff aus einer Blase diffundiert in die Blase mit Wasserstoff und umgekehrt. Dadurch verschwinden beide Blasen bei der Verbrennungsreaktion.

Das gesamte in 20 ms erzeugte Gas verschwindet nach 80 ms aus der Kammer. Somit kann das Gerät bei gegebenen geometrischen Eigenschaften der Kammer und Parametern der Antriebsimpulse einen Auf- und Ab-Zyklus in 100 ms durchführen. Der Hub der Membran nimmt mit der Amplitude der Impulse zu, wie in Abb. 2b dargestellt. Wenn die Amplitude der Impulse über 12,5 V liegt, wird die Ablenkung groß, aber aufgrund der Bildung kurzlebiger Mikroblasen schlecht kontrolliert. Diese Blasen entstehen, wenn die Dichte der NBs so hoch ist, dass viele NBs gleichzeitig verschmelzen und explodieren, wie in 17 erläutert.

Für praktische Anwendungen muss die Betätigung zyklisch erfolgen, wenn sich die Membran mit einer bestimmten zyklischen Frequenz \(f_c\) auf und ab bewegt. Für dieses Regime werden die Antriebsimpulse mit der Antriebsfrequenz (f) in Reihe und wiederholt mit der Frequenz \(f_c\) angelegt, wie in Abb. 2c gezeigt. Während der aktiven Zeit \(t_a\) wird der Aktor durch hochfrequente f-Impulse mit wechselnder Polarität versorgt, während der passiven Zeit \(t_p\) werden keine Impulse angelegt. Nach der Periode \(t_c=t_a+t_p\) wird der Zyklus wiederholt, sodass die zyklische Frequenz \(f_c=t_c^{-1}\) beträgt. Video 1S demonstriert den zyklischen Betrieb des Aktuators bei 10 Hz. Es wurde mit 19 Bildern pro Sekunde aufgenommen. Die Antriebsimpulse hatten die Amplitude \(U=9\) V und die Frequenz \(f=500\) kHz. Man erkennt, dass sich die Membran auf und ab bewegt, es bilden sich jedoch keine Blasen in der Kammer, die das sichtbare Licht streuen könnten. Das in NBs gesammelte Gas kann der einzige Grund für einen Hub von etwa \(5\ \mu\)m sein. Beispielsweise kann eine homogene Erwärmung einer Flüssigkeit auf \(20^{\circ }\)C nur für einen Hub von \(0,2\ \mu\)m verantwortlich sein.

Einfache Schätzungen auf der Grundlage der Faraday- und idealen Gasgesetze stützen die oben dargestellte Beschreibung (Einzelheiten finden Sie in den Zusatzinformationen). Der Strom mit der Amplitude \(U=10,5\) V während der 20-ms-Serie wie in Abb. 2a beträgt \(I_F=60,5\) mA. Dann beträgt die Gesamtzahl der während der Serie erzeugten Gasmoleküle \(N_g=5,67\times 10^{15}\). Etwa ein Tausendstel dieser Moleküle kann in der Kammer gelöst werden. Unter normalen Bedingungen würde das überschüssige Gas das Volumen füllen, das 75-mal größer ist als das Volumen der Kammer \(V_{ch}=3,14\times 10^{-12}\) m\(^3\). Obwohl die Blasengröße bei \(f=500\) kHz nicht direkt gemessen wurde, schätzen wir den Radius der NBs auf \(r=25\) nm, indem wir die Ergebnisse der dynamischen Lichtstreuung extrapolieren39. Unter Berücksichtigung des Laplace-Drucks in einem NB ergibt sich die Anzahl der Moleküle in einer Blase als \(N_{NB}=0,93\times 10^5\). In den NBs sind die erzeugten Gasmoleküle effizienter gepackt und das gesamte Gas würde im Idealfall das Volumen \(\Delta V_{id}=3,98\times 10^{-12}\) m\(^3\) annehmen wenn während der Serie keine Reaktion zwischen den Gasen erfolgt. Das von den NBs eingenommene realistische Volumen beträgt \(\Delta V=0,73\times 10^{-12}\) m\(^3\), geschätzt aus dem Hub der Membran \(d=7,4\) μm. Das bedeutet, dass nur 18 % des Gases in Form getrennter H\(_2\)- und O\(_2\)-NBs überleben. Alle übrigen NBs rekombinieren während der Serie im elektrodennahen Bereich, wo die Konzentration der NBs am höchsten ist, wie in 10 beobachtet wurde. Die über das Volumen \(V_{ch}+\Delta V\) gemittelte Konzentration der überlebenden NBs wird auf \(n_{NB}=2,87\times 10^{21}\) m\(^{-3} geschätzt. \). Der durchschnittliche Abstand zwischen den Mittelpunkten von NBs beträgt \(a\simeq n_{NB}^{-1/3}=70\) nm. Wenn die Pulse ausgeschaltet sind, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sich H\(_2\)- und O\(_2\)-NBs auf eine Entfernung von einigen Nanometern annähern und aufgrund der Diffusion der Gase rekombinieren. Dieser Prozess sorgt für ein schnelles Verschwinden des Gases aus der Kammer.

Auch wenn ein detaillierter Mechanismus der Selbstentzündung in NBs nicht bekannt ist, muss er mit der Bildung von Radikalen in NBs in Zusammenhang stehen. Wenn man davon ausgeht, dass H\(_2\)-Moleküle auf der inneren Oberfläche von NB dissoziieren können, dann gibt es einen Reaktionsweg, der eine Mischung aus H\(_2\)- und O\(_2\)-Gasen in Wasser umwandelt, das erfordert keine hohe Aktivierungsenergie, die für eine normale Verbrennung erforderlich ist41. In diesem Sinne können die in NBs ablaufenden Reaktionen als „kalte Verbrennung“ bezeichnet werden. Die Existenz eines solchen Pfades wurde unabhängig mithilfe reaktiver molekulardynamischer Simulationen bestätigt42.

Obwohl für gegebene geometrische Eigenschaften die optimale zyklische Frequenz \(f_c=10\) Hz beträgt, kann der Aktuator schneller arbeiten. In Abb. 2d ist der zyklische Betrieb mit den Frequenzen 10, 30, 200 Hz dargestellt. Für \(f_c=30\) Hz werden die Impulse für die gleichen 20 ms eingeschaltet (aktive Zeit), aber für einen kürzeren Zeitraum von 13,3 ms ausgeschaltet (passive Zeit). Es wird die gleiche Gasmenge wie bei \(f_c=10\) Hz erzeugt, aber die passive Zeit ist zu kurz, als dass sich das gesamte Gas rekombinieren könnte. Das verbleibende Gas wird in der Kammer gesammelt und erhöht die durchschnittliche Konzentration an NBs, bis ein stabiler Zustand erreicht ist. Im Gleichgewicht hat die Membran einen Versatz und die Schwingungsamplitude von 5,1 μm ist kleiner als die von 8,8 μm für \(f_c=10\) Hz. Der Effekt der Sättigung der Kammer mit NBs ist besonders gut für \(f_c=200\) Hz sichtbar. In diesem Fall beträgt die aktive Zeit 3 ms und die passive Zeit 2 ms. Die Schwingungsamplitude beträgt 1,9 μm mit einem Versatz von 15 μm, man muss jedoch eine höhere Amplitude der Impulse von 14,2 V anstelle von 11 V wie für \(f_c=10\) oder 30 Hz beibehalten. Mit weiterer Erhöhung der Taktfrequenz wächst der Offset weiter, die Schwingungsamplitude nähert sich jedoch einem festen Wert von 1,5 μm. Die maximale Frequenz, die wir getestet haben, betrug \(f_c=450\) Hz.

Für die Impulsfrequenz \(f=500\) kHz beträgt die durchschnittliche Dichte des Faraday-Stroms \(J_F=I_F/\pi R^2=300{-}400\) A/cm\(^2\), wobei \(R=75\) μm der Radius der Mittelelektrode ist. Noch höhere Werte von \(J_F\) werden lokal in der Nähe der Elektrodenränder erreicht. Bei diesen hohen Stromdichten kommt es zu einer schnellen Degradation der Elektrodenmaterialien, die Gründe für die Degradation können jedoch unterschiedlich sein. Eine detaillierte Untersuchung wurde für Platinelektroden durchgeführt36. Es wurde der Schluss gezogen, dass Pt-Elektroden durch eine lokale Energieablagerung aufgrund der Reaktion zwischen NBs in der Nähe der Elektrodenoberfläche mechanisch zerstört werden. Die Untersuchung von Ti-Elektroden ergab unterschiedliche Mechanismen des Abbaus37. In diesem Fall ist das Wachstum von Titanoxid auf der Elektrodenoberfläche für die Reduzierung des Faraday-Stroms während der ersten Minute des AP-Prozesses verantwortlich.

Degradation von Elektroden aus unterschiedlichen Materialien. (a) (Zeile) Optische Bilder der Elektroden aus unterschiedlichen Materialien vor dem Test. (b) (Zeile) REM-Bilder der Elektroden vor dem Test. Spezifische Rauheit von Au, Ti und Ru aufgrund des darunter liegenden Al. (c) (Zeile) Optische Bilder der Elektroden nach Anwendung der AP-Pulse mit \(f=500\) kHz und \(U=7\) V während 2,5 min für Au und 30 min für andere Materialien. (d) (Zeile) REM-Bilder nach dem Test der Randelektrode an der durch das schwarze Rechteck für Au markierten Stelle. Alle REM-Bilder werden bei einem Tischwinkel von 60\(^\circ\) erstellt.

Wir haben eine zusätzliche Analyse der Elektroden durchgeführt, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, aber die gleiche Geometrie haben. Einige Ergebnisse sind in Abb. 3 dargestellt. Die Reihe a zeigt die optischen Bilder und die Reihe b REM-Bilder der Elektroden vor dem Test, die Reihen c und d zeigen die Bilder nach dem Test. Die Au-Elektroden werden schnell zerstört und der Prozess geht mit einer Stromreduzierung einher. Die REM-Bilder zeigen Merkmale, die denen von Pt sehr ähnlich sind. An den Stellen, an denen die Stromdichte relativ gering ist, sind die charakteristischen Grübchen und Nanopartikel auf der Oberfläche zu sehen. An Orten mit höherer Stromdichte häufen sich die Nanopartikel chaotisch. Auch die Cu-Elektroden unterliegen einer aktiven Degradation, überleben aber aufgrund der größeren Dicke der Cu-Schicht länger. Innerhalb von 30 Minuten entwickelt sich die Oberfläche gut und es zeigen sich Ablagerungen zwischen den Elektroden. Eine deutliche Ähnlichkeit zwischen Pt, Au und Cu ist in der ergänzenden Abbildung 1S zu erkennen, in der REM-Bilder in der Nähe der Elektrodenkante gezeigt werden. Wir kommen zu dem Schluss, dass bei all diesen relativ weichen Materialien (die Mohs-Härte beträgt 3,5, 3,0 bzw. 2,5 für Pt, Cu und Au) der Abbau nach dem gleichen Mechanismus wie bei Pt erfolgt: Explosionen von NBs in der Nähe der Oberfläche erzeugen Vertiefungen und Nanopartikel , die sich mit der Zeit in Haufen ansammeln.

Eine andere Situation ist bei härteren Materialien wie Ti und Ru zu beobachten (Mohs-Härte beträgt 6 bzw. 6,5). Nach 30 Minuten Bearbeitungszeit werden Ti-Elektroden aufgrund der Oxidbildung dunkler37. Der Strom sinkt in der ersten Minute des Vorgangs deutlich ab. Das REM-Bild zeigt die Bildung von Hügeln, die mit der Entspannung der lokalen Spannungen aufgrund des wachsenden Oxids zusammenhängen. Am Rand der Elektroden bilden diese Hügel ein durchgehendes Netz. Eine auffallend andere Situation ist für Ru zu beobachten. Auf REM-Bildern erkennt man sehr kleine, seltene Hügel, die selbst an den Rändern der Elektroden kein Netz bilden. Im Gegensatz zu Ti verringert sich der Strom nicht, sondern wächst mit der Zeit, wie in Abb. 4a zu sehen ist, in der der Strom als Funktion der Zeit sowohl für Ti als auch für Ru dargestellt ist. Im Vergleich zu weicheren Materialien sind bei diesen härteren Elektroden keine Anzeichen mechanischer Zerstörung erkennbar.

Es ist möglich, die dritte Klasse von Elektrodenmaterialien zu trennen. Man könnte erwarten, dass die härtesten Materialien wie Cr oder W am besten für die Elektroden geeignet sind, aber das ist definitiv nicht der Fall. Aufgrund der anodischen Auflösung geht Chrom sehr schnell (in Sekunden) in Lösung43. Die Auflösung erfolgt auch bei W44, jedoch mit einer geringeren Geschwindigkeit. Diese Eigenschaft macht es unmöglich, diese Materialien als Elektroden zu verwenden.

Aus der obigen Analyse lässt sich schließen, dass Ru das vielversprechendste Material für die Elektroden ist, das der hohen Stromdichte des elektrochemischen AP-Prozesses standhalten kann.

Ruthenium ist auf der Mohs-Skala ein etwas härteres Material als Titan, verfügt aber im Gegensatz zu TiO\(_2\) über eine metallische Leitfähigkeit. Die Auflösung von Ru wird umfassend im Zusammenhang mit der elektrochemischen Produktion von Wasserstoff45 untersucht, die Stabilität dieses Materials im elektrochemischen AP-Prozess wurde jedoch noch nicht untersucht. In diesem Zusammenhang analysieren wir die Langzeitleistung des Aktors mit Rutheniumelektroden.

Einzelleistung der Elektroden. (a) Strom als Funktion der Zeit durch Ru- und Ti-Elektroden, dargestellt in Abb. 3. (b) Langzeittest des Aktors mit Ru-Elektroden. Dargestellt ist der Strom als Funktion der Zeit für die Parameter \(f_c=10\) Hz, \(U=10,5\) V und \(f=500\) kHz (blaue Kurve) und \(f_c=10\) ) Hz, \(U=8,1\) V und \(f=100\) kHz (grüne Kurve). (c) Hub der Membran für den Test mit \(f=500\) kHz. Die Membranbewegung reproduziert alle Schwankungen des Stroms.

Der Aktor wurde in einem 5-Stunden-Lauf für zyklischen Betrieb bei \(f_c=10\) Hz mit den Ansteuerimpulsen \(U=10,5\) V und \(f=500\) kHz getestet. Der Strom und der Hub der Membran sind in Abb. 4b bzw. c dargestellt. Der Strom wird während der aktiven Zeit des Zyklus gemittelt. Es ist zu beachten, dass bei Ru-Elektroden der Strom zu wachsen beginnt, wenn die Betriebszeit den stationären Zustand in einer halben Stunde erreicht. Dieser Stromanstieg wird durch die Erwärmung des Substrats erklärt, die über einen längeren Zeitraum erfolgt als die Erwärmung der Flüssigkeit in der Kammer, die für den Stromanstieg auf der Kurzzeitskala verantwortlich ist, wie in Abb. 1f. Während des stationären Zustands werden einige langfristige Schwankungen des Stroms beobachtet, der Strom wird jedoch auf dem gleichen Niveau gehalten. Der Ursprung dieser Schwankungen ist nicht ganz klar, aber die Amplitude der Schwankungen variiert von Probe zu Probe. Der Strich gibt alle Details des aktuellen Verhaltens wieder.

Oberfläche der Elektroden vor und nach dem Langzeittest. (a) Optisches Bild der Kammer und der Elektroden vor dem Test. Das schwarze Rechteck zeigt den mit SEM und AFM untersuchten Bereich an. (b) REM-Bild des Randes der Mittelelektrode. (c) AFM-Bild, aufgenommen im gleichen Bereich wie das REM-Bild in (b). Die Farbachse wird rechts im Bild angezeigt. (d–f) Zeigt dasselbe wie (a–c), jedoch nach 5-stündigem Test mit den Parametern \(f_c=10\) Hz, \(U=10,5\) V und \(f=500\) kHz.

Der Vergleich der Elektrodenoberflächen vor und nach 5 h Betrieb bei \(f_c=10\) Hz ist in Abb. 5 für die Frequenz der Antriebsimpulse \(f=500\) kHz dargestellt (Abb. 5a–c vor und d). –f nach dem Test). Vor dem Test weist die Elektrodenoberfläche relativ große Körner mit einer Größe von 100–300 nm mit charakteristischen Hügeln auf, die mit der darunter liegenden Al-Schicht zusammenhängen. Mit der AFM-Aufnahme kann man über den großen Körnern kleinere Körner mit einer Größe von etwa 30 nm erkennen, die als Rutheniumkörner identifiziert werden können. Das optische Bild der Elektroden nach dem Test weist einen etwas dunkleren Rand der Mittelelektrode auf. Obwohl die Rauheit der Oberfläche von Spitze zu Spitze dieselbe ist wie vor dem Test, verändert sich die Topographie der Oberfläche deutlich: Die großen Körner verschwinden, aber die kleineren werden größer. Es weist auf die Bildung von Rutheniumoxid auf der Oberfläche hin. Das Vorhandensein von zusätzlichem Sauerstoff in der Oberflächenschicht wird durch die energiedispersive Röntgenanalyse (EDX) bestätigt. Vor dem Test wird Sauerstoff mit einer Menge von 8,8 Atomprozent (At.%) homogen über die Zentralelektrode verteilt. Nach dem Test beträgt die Sauerstoffmenge 21,5 bzw. 13,0 Atom-% am Rand und in der Mitte der Elektrode. Eine inhomogene Verteilung des Oxids führt zu einer Verdunkelung des Elektrodenrandes in Abb. 5d. In Abb. 5e,f sind keine Anzeichen einer Verschlechterung der Elektroden zu erkennen.

Elektroden nach dem Test mit der Antriebsfrequenz \(f=100\) kHz. (a) Optisches Bild der Elektroden nach 4 h Test bei \(f_c=10\) Hz, \(U=8,1\) V. Die schwarzen Kreise markieren die mit REM untersuchten Bereiche. (b–d) SEM-Bilder, aufgenommen in den Bereichen 1, 2 bzw. 3. Der Tischwinkel beträgt 60\(^\circ\).

Anders verhält es sich bei der unteren Antriebsfrequenz \(f=100\) kHz. Nach 4 h kontinuierlicher Arbeit mit der Amplitude der Antriebsimpulse \(U=8,1\) V bei der zyklischen Frequenz \(f_c=10\) Hz zeigen die Elektroden eine deutliche Verdunkelung, wie in Abb. 6a zu sehen ist. Die Erhöhung der Amplitude über 8,5 V ist aufgrund der Bildung explodierender Mikroblasen und der schlechten Kontrolle der Membranauslenkung nicht möglich17. Der Strom während des 4-Stunden-Tests ist in Abb. 4b durch die grüne Kurve dargestellt. Während des anfänglichen Erhitzens steigt sie an, geht dann aber langsam zurück. Der Abfall des Stroms ist ein Zeichen für die Verschlechterung der Elektrode. Weitere Informationen zum Abbau können den REM-Bildern Abb. 6b–d entnommen werden, die in den Bereichen 1, 2 und 3 aufgenommen wurden, wie in Abb. 6a durch die Kreise markiert. Von 1 bis 3 wird die Oberfläche immer weiter entwickelt. Dies korreliert auch mit der durch die EDX-Analyse ermittelten Sauerstoffmenge, die sich für die Positionen 1, 2 und 3 auf 14,5, 22,3 und 37,7 Atom-% erhöht. Daraus lässt sich schließen, dass die Elektroden mit der Reduzierung der Antriebsfrequenz zu schwächen beginnen. Wir beziehen diesen Effekt auf die Zunahme der NBs-Größe, wenn die Antriebsfrequenz abnimmt. Bei größeren Blasen wird durch die lokale Verbrennung mehr Energie freigesetzt, die sich stärker auf die Oberfläche der Elektroden auswirkt.

Die Verringerung der Blasengröße mit zunehmender Fahrfrequenz stimmt sowohl mit den Erwartungen als auch mit den Beobachtungen gut überein. Diese Abhängigkeit wurde mit der Methode der dynamischen Lichtstreuung39 beobachtet, bei der sich die durchschnittliche Blasengröße von 80 nm bei \(f=150\) kHz auf 60 nm bei \(f=325\) kHz geändert hat. Die stärkere Erwärmung der Flüssigkeit mit zunehmender Frequenz, wie in Abb. 1f dargestellt, erklärt sich auch durch die Verringerung der Blasengröße. Die Diffusionsschicht über den Elektroden ist stark mit den Gasen übersättigt und ihre Dicke skaliert mit der Frequenz \(f^{-1/2}\). Die NBs bilden in dieser Schicht Keime und werden dann durch die in der nächsten Periode neu erzeugten NBs verdrängt. Je dünner die Diffusionsschicht, desto mehr H\(_2\)- und O\(_2\)-NBs sind nah genug beieinander, um zu verschmelzen und Wärme zu erzeugen. Somit wird der elektrodennahe Bereich, in dem die Stromdichte am höchsten ist, bei der höheren Antriebsfrequenz stärker erhitzt. Die Blasengröße ist auch für die Erhöhung der Schwellenamplitude der Impulse verantwortlich. Diese Amplitude entspricht der Dichte der NBs, wenn sie sich nahezu berühren. In diesem Fall führt die gleichzeitige Verschmelzung vieler NBs zur Bildung kurzlebiger Mikrobläschen. Je größer die NB-Größe ist, desto kleiner ist die Amplitude U, die zum Erreichen der kritischen Dichte benötigt wird.

Der Betrieb des Aktors bei hohen Taktfrequenzen ist für praktische Anwendungen sehr wichtig. Für das untersuchte Gerät beträgt die bevorzugte Frequenz nicht mehr als 10 Hz; Andernfalls wird die Mittelposition der Membran angehoben, was im Normalbetrieb nicht immer möglich ist. Für eine schnelle Rekombination von H\(_2\)- und O\(_2\)-NBs muss der durchschnittliche Abstand zwischen den Blasen in der Kammer so kurz wie möglich sein. Man kann erwarten, dass es für eine gegebene Höhe der Kammer eine optimale Frequenz \(f_c\) gibt. Je kleiner die Kammerhöhe ist, desto höher ist die Betriebsfrequenz. Bei der mit einer weichen PDMS-Membran bedeckten Kammer ist es schwierig, die Höhe der Kammer zu reduzieren, bei steiferen Materialien ist dies jedoch möglich. Beispielsweise wurde für die Kammer mit einer Höhe von \(5\ \mu\)m, die von einer 150 nm dicken SiRN-Membran bedeckt ist, eine Rekombinationszeit von nur \(200\ \mu\)s nachgewiesen12. Daher glauben wir, dass die zyklische Frequenz des Aktors mit Ru-Elektroden ohne Versatz der Membran deutlich erhöht werden kann.

Im letzten Jahrzehnt wurde die Beschleunigung chemischer Reaktionen an Wasser-Mikrotröpfchen und die Bildung von Radikalen in Nanobläschen entdeckt. Die beobachteten chemischen Prozesse zeigen eine ungewöhnliche Aktivität der Gas-Wasser-Grenzfläche für Objekte mit einem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Obwohl der Grund für diese Aktivität nicht klar ist, ist es möglich, das Phänomen für praktische Zwecke zu nutzen, wie in diesem Artikel gezeigt wird. Wir haben einen elektrochemischen Aktuator hergestellt, der NBs erzeugt, die in einer geschlossenen Kammer Druck erzeugen und die Gase bei der Selbstentzündung von Wasserstoff und Sauerstoff in NBs vernichten, wodurch der Druck innerhalb von Millisekunden abgebaut wird. Im Vergleich zu den bestehenden elektrochemischen Aktoren ist die Reaktionszeit um Größenordnungen kürzer. Das Hauptproblem eines solchen Aktors ist jedoch die Verschlechterung der Elektroden. Alle bis auf eines getesteten Materialien zersetzen sich aufgrund einer hohen Stromdichte im elektrochemischen AP-Prozess innerhalb von etwa einer Minute Dauerbetrieb des Aktuators. Es wurde festgestellt, dass nur Ruthenium-Elektroden im Langzeittest keine Degradationserscheinungen aufwiesen. Die Langlebigkeit von Ru ist auf eine einzigartige Kombination aus hoher Härte und metallischer Leitfähigkeit von Rutheniumoxid zurückzuführen. Allerdings begann auch dieses Material zu zerfallen, als die Frequenz der Antriebsimpulse auf \(f=100\) kHz reduziert wurde. Dieser Effekt hing mit der Zunahme der NB-Größe und einer größeren Energiefreisetzung aus den Explosionen von NBs in der Nähe der Oberfläche als bei \(f=500\) kHz zusammen.

Der Aktuator bricht mit Vorurteilen, dass das Gas-Wasser keine katalytischen Eigenschaften habe und dass die Verbrennung von Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischen in Volumina von weniger als einigen Mikrolitern nicht möglich sei. In diesem Sinne kommt der Realisierung des Aktors eine grundlegende Bedeutung zu. Andererseits kann der Aktuator dank seiner geringen Größe für praktische Zwecke als Motor zum Antrieb autonomer Mikrofluidikgeräte in medizinischen und biologischen Anwendungen eingesetzt werden. Darüber hinaus können die Abmessungen des Aktors weiter verkleinert werden, wenn man eine dünnere und steifere Membran verwendet, beispielsweise aus Siliziumnitrid wie in12.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

Ruiz-Lopez, MF, Francisco, JS, Martins-Costa, MTS & Anglada, JM Molekulare Reaktionen an wässrigen Grenzflächen. Nat. Rev. Chem. 4, 459. https://doi.org/10.1038/s41570-020-0203-2 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Girod, M., Moyano, E., Campbell, DI & Cooks, RG Beschleunigte bimolekulare Reaktionen in Mikrotröpfchen, untersucht durch Desorptions-Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie. Chem. Wissenschaft. 2, 501. https://doi.org/10.1039/C0SC00416B (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Yan, X., Bain, RM & Cooks, RG Organische Reaktionen in Mikrotröpfchen: Reaktionsbeschleunigung durch Massenspektrometrie nachgewiesen. Angew. Chem. Int. Ed. 55, 12960. https://doi.org/10.1002/anie.201602270 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Lee, JK, Samanta, D., Nam, HG & Zare, RN Mikrometergroße Wassertröpfchen lösen eine spontane Reduktion aus. Marmelade. Chem. Soc. 141, 10585. https://doi.org/10.1021/jacs.9b03227 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Wei, Z., Li, Y., Cooks, RG & Yan, X. Beschleunigte Reaktionskinetik in Mikrotröpfchen: Überblick und aktuelle Entwicklungen. Annu. Rev. Phys. Chem. 71, 31. https://doi.org/10.1146/annurev-physchem-121319-110654 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lee, JK et al. Spontane Erzeugung von Wasserstoffperoxid aus wässrigen Mikrotröpfchen. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 116, 19294. https://doi.org/10.1073/pnas.1911883116 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Takahashi, M., Chiba, K. & Li, P. Erzeugung freier Radikale durch kollabierende Mikrobläschen ohne dynamischen Reiz. J. Phys. Chem. B 111, 1343. https://doi.org/10.1021/jp0669254 (2007).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Takahashi, M., Shirai, Y. & Sugawa, S. Erzeugung freier Radikale aus großen Nanobläschen in wässrigen Elektrolytlösungen: ESR-Spin-Trap-Beobachtung von mit Mikrobläschen behandeltem Wasser. Langmuir 37, 5005. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00469 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Liu, S. et al. Oxidationskapazität von Nanobläschen und ihre Wirkung auf die Samenkeimung. ACS Sustain. Chem. Ing. 4, 1347. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5b01368 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Svetovoy, VB, Sanders, RGP, Lammerink, TSJ & Elwenspoek, MC Verbrennung von Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischen in elektrochemisch erzeugten Nanobläschen. Physik. Rev. E 84, 035302(R). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.84.035302 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Smart, AG Hochfrequenzelektrolyse erzeugt spontan verbrennende Nanobläschen. Physik. Heute 64, 17. https://doi.org/10.1063/PT.3.1319 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Svetovoy, VB, Sanders, RGP, Ma, K. & Elwenspoek, MC Neuartiger Mikromotor mit innerer Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff. Wissenschaft. Rep. 4, 4296. https://doi.org/10.1038/srep04296 (2014).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Jain, S., Mahmood, A. und Qiao, L. Quantifizierung der Wärme, die bei der spontanen Verbrennung von H\(_2\)/O\(_2\)-Nanoblasen entsteht. 2016 IEEE SENSORS, 1 (2016). https://doi.org/10.1109/ICSENS.2016.7808897

Veser, G. Experimentelle und theoretische Untersuchung der H\(_2\)-Oxidation in einem katalytischen Hochtemperatur-Mikroreaktor. Chem. Ing. Wissenschaft. 56, 1265. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(00)00348-1 (2001).

Artikel CAS Google Scholar

Fernandez-Pello, AC-Mikrostromerzeugung durch Verbrennung: Probleme und Ansätze. Proz. Verbrennen. Inst. 29, 883. https://doi.org/10.1016/S1540-7489(02)80113-4 (2002).

Artikel Google Scholar

Teslenko, VS, Manzhalei, VI, Medvedev, RN & Drozhzhin, AP Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen direkt in einem wasserbasierten Wärmeträger. Verbrennen. Explosionen. Shock Waves 46, 486. https://doi.org/10.1007/s10573-010-0064-y (2010).

Artikel Google Scholar

Svetovoy, VB Spontane chemische Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in Nanobläschen. Curr. Meinung. Kolloidschnittstellenwissenschaft. 52, 101423. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2021.101423 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Asadi Dereshgi, H., Dal, H. & Yildiz, MZ Piezoelektrische Mikropumpen: Übersicht über den neuesten Stand der Technik. Mikrosystem. Technol. 27, 4127. https://doi.org/10.1007/s00542-020-05190-0 (2021).

Artikel Google Scholar

Mohith, S., Karanth, PN & Kulkarni, SM Experimentelle Untersuchung zur Leistung einer Einweg-Mikropumpe mit nachrüstbarem Piezo-Stack-Aktuator für biomedizinische Anwendungen. Mikrosystem. Technol. 25, 4741. https://doi.org/10.1007/s00542-019-04414-2 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Tanaka, Y. Eine peristaltische Pumpe, die auf einem Mikrochip aus 100 % Glas integriert ist und computergesteuerte piezoelektrische Aktoren verwendet. Micromachines 5, 289. https://doi.org/10.3390/mi5020289 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Dumont-Fillon, D., Tahriou, H., Conan, C. & Chappel, E. Insulin-Mikropumpe mit eingebetteten Drucksensoren zur Fehlererkennung und Bereitstellung einer genauen Überwachung. Micromachines 5, 1161. https://doi.org/10.3390/mi5041161 (2014).

Artikel Google Scholar

Machauf (Prochaska), A., Nemirovsky, Y. & Dinnar, U. Eine Membran-Mikropumpe, die elektrostatisch über das Arbeitsmedium betätigt wird. J. Mikromech. Mikroeng. 15, 2309. https://doi.org/10.1088/0960-1317/15/12/013 (2005).

Artikel Google Scholar

Gao, Y., You, Z. & Zhao, J. Elektrostatischer Kammantriebsaktuator für MEMS-Relais/-Schalter mit doppelt geneigten Kammfingern und geneigten Parallelogrammbalken. J. Mikromech. Mikroeng. 25, 045003. https://doi.org/10.1088/0960-1317/25/4/045003 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Uhlig, S. et al. Elektrostatisch angetriebene In-Plane-Silizium-Mikropumpe für modulare Konfiguration. Micromachines 9, 190. https://doi.org/10.3390/mi9040190 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Hubbard, NB & Howell, LL Design und Charakterisierung eines zweistufigen, thermisch betätigten Nanopositionierers. J. Mikromech. Mikroeng. 15, 1482. https://doi.org/10.1088/0960-1317/15/8/015 (2005).

Artikel Google Scholar

Meszmer, P. et al. Numerische Charakterisierung und experimentelle Verifizierung eines In-Plane-Mems-Aktuators mit Dünnschicht-Aluminiumheizung. Mikrosystem. Technol. 20, 1041. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.12.159 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Neagu, C., Gardeniers, J., Elwenspoek, M. & Kelly, J. Ein elektrochemischer Mikroaktor: Prinzip und erste Ergebnisse. J. Mikroelektromech. Syst. 5, 2. https://doi.org/10.1109/84.485209 (1996).

Artikel CAS Google Scholar

Cameron, CG & Freund, MS Elektrolytische Aktoren: Alternative, leistungsstarke, materialbasierte Geräte. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 99, 7827. https://doi.org/10.1073/pnas.122212299 (2002).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hua, SZ, Sachs, F., Yang, DX & Chopra, HD Mikrofluidische Betätigung mittels elektrochemisch erzeugter Blasen. Anal. Chem. 74, 6392. https://doi.org/10.1021/ac0259818 (2002).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ateya, DA, Shah, AA & Hua, SZ Eine elektrolytisch betätigte Mikropumpe. Rev. Sci. Instrument. 75, 915. https://doi.org/10.1063/1.1687043 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Meng, DD & Kim, C.-JC Mikropumpen von Flüssigkeiten durch gerichtetes Wachstum und selektive Entlüftung von Gasblasen. Lab Chip 8, 958. https://doi.org/10.1039/B719918J (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Li, P.-Y., Sheybani, R., Gutierrez, CA, Kuo, JTW & Meng, E. Ein elektrochemischer Parylenbalg-Aktuator. J. Mikroelektromech. Syst. 19, 215. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2009.2032670 (2010).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yi, Y., Buttner, U., Carreno, AAA, Conchouso, D. & Foulds, IG Ein Gerät zur elektrolytischen Medikamentenverabreichung im gepulsten Modus. J. Mikromech. Mikroeng. 25, 105011. https://doi.org/10.1088/0960-1317/25/10/105011 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Sheybani, R. & Meng, E. Beschleunigungstechniken zur Rekombination von Gasen in Elektrolyse-Mikroaktoren mit Nafion-beschichtetem Elektrokatalysator. Sens. Aktoren B Chem. 221, 914. https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.07.026 (2015).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Uvarov, IV, Lokhanin, MV, Postnikov, AV, Melenev, AE & Svetovoy, VB Elektrochemischer Membran-Mikroaktor mit einer Reaktionszeit im Millisekundenbereich. Sens. Aktoren B Chem. 260, 12. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.12.159 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Uvarov, IV, Shlepakov, PS, Postnikov, AV & Svetovoy, VB Hochenergetischer Aufprall von H\(_2\)- und O\(_2\)-Nanoblasen auf der Pt-Oberfläche. J. Colloid Interface Sci. 582, 167. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.07.135 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Shlepakov, PS, Uvarov, IV, Naumov, VV & Svetovoy, VB Abbau von Titanelektroden bei der Elektrolyse mit wechselnder Polarität. Int. J. Elektrochem. Wissenschaft. 14, 5211. https://doi.org/10.20964/2019.06.62 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Z., Zhao, P., Xiao, G., Watts, BR & Xu, C. Versiegelung mikrofluidischer SU-8-Kanäle mit PDMS. Biomicrofluidics 5, 046503. https://doi.org/10.1063/1.3659016 (2011).

Artikel CAS PubMed Central Google Scholar

Postnikov, AV, Uvarov, IV, Penkov, NV & Svetovoy, VB Kollektives Verhalten von Massen-Nanobläschen, die durch Elektrolyse mit wechselnder Polarität hergestellt werden. Nanoscale 10, 428. https://doi.org/10.1039/C7NR07126D (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Ma, X. et al. Die Ionenadsorption stabilisiert große Nanobläschen. J. Colloid Interface Sci. 606, 1380. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.08.101 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Prokaznikov, A., Tas, N. & Svetovoy, V. Oberflächenunterstützte Verbrennung von Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischen in durch Elektrolyse erzeugten Nanobläschen. Energies 10, 178. https://doi.org/10.3390/en10020178 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Jain, S. & Qiao, L. Verständnis der Verbrennung von H\(_2\)/O\(_2\)-Gasen in Nanobläschen, die durch Wasserelektrolyse erzeugt werden, mithilfe reaktiver molekulardynamischer Simulationen. J. Phys. Chem. A 122, 5261. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.8b01798 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Schneider, M., Simunkova, L., Manko, MAU, Lohrengel, MM & Hoogsteen, W. Anodische Auflösung von Chrom bei hohen Stromdichten im Natriumnitrat-Elektrolyten. J. Festkörperelektrochem. 23, 345. https://doi.org/10.1007/s10008-018-4140-7 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Davydov, AD, Shaldaev, VS, Malofeeva, AN & Savotin, IV Elektrochemische Auflösung von Wolfram unter gepulsten Bedingungen. J. Appl. Elektrochem. 27, 351. https://doi.org/10.1023/A:1018493016444 (1997).

Artikel CAS Google Scholar

Cherevko, S. et al. Auflösung von Edelmetallen während der Sauerstoffentwicklung in sauren Medien. ChemCatChem 6, 2219. https://doi.org/10.1002/cctc.201402194 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

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Wir danken L. Mazaletskiy für die technische Unterstützung beim SEM und T. Muravyeva für die Unterstützung beim AFM. IVU wurde von der Russian Science Foundation, Grant No. 18-79-10038, unterstützt.

Valiev-Institut für Physik und Technologie, Zweigstelle Jaroslawl, Russische Akademie der Wissenschaften, Universitetskaya 21, Jaroslawl, 150007, Russland

Ilia V. Uvarov

Frumkin-Institut für physikalische Chemie und Elektrochemie, Russische Akademie der Wissenschaften, Leninsky-Prospekt 31 Geb. 4, Moskau, 119071, Russland

Vitaly B. Swetowoi

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IVU und VBS haben diese Forschung konzipiert. Die IVU stellte die Geräte her, führte die Experimente durch und analysierte die Daten. VBS analysierte die Daten und erstellte das Papier. Beide Autoren stimmten der endgültigen Fassung des Papiers zu.

Korrespondenz mit Vitaly B. Svetovoy.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Uvarov, IV, Svetovoy, VB Nanoreaktoren im Einsatz für einen langlebigen Mikroaktuator, der die spontane Verbrennung von Gasen in Nanoblasen nutzt. Sci Rep 12, 20895 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25267-2

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Eingegangen: 01. Oktober 2022

Angenommen: 28. November 2022

Veröffentlicht: 03. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25267-2

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