Development and performance analysis of autonomous catalytic micropumps

Resumen

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.