Des nanoréacteurs en action pour un microactionneur durable utilisant la combustion spontanée de gaz dans des nanobulles

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20895 (2022) Citer cet article

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Un certain nombre d'études récentes font état d'une amélioration des réactions chimiques sur les microgouttelettes d'eau ou à l'intérieur des nanobulles dans l'eau. Cette découverte promet des applications passionnantes, même si le mécanisme de l’accélération de la réaction n’est pas encore clair. Plus précisément, la combustion spontanée de l’hydrogène et de l’oxygène dans des nanobulles ouvre la voie à la fabrication de moteurs véritablement microscopiques. Un exemple est un actionneur à membrane électrochimique dont les trois dimensions sont de l'ordre du micromètre. L'actionneur est piloté par de courtes impulsions de tension de polarité alternée, qui génèrent uniquement des nanobulles. Le fonctionnement du dispositif est cependant limité par une dégradation rapide des électrodes liée à une densité de courant élevée. Il est démontré ici que l'actionneur doté d'électrodes en ruthénium ne montre aucun signe de dégradation lors d'un fonctionnement à long terme. C'est le seul matériau capable de résister aux conditions extrêmes de l'électrolyse à polarité alternée. Cette propriété est due à la combinaison d’une dureté mécanique élevée et de la conductivité métallique de l’oxyde de ruthénium. L'actionneur combine deux fonctionnalités considérées comme impossibles : la catalyse sur l'eau et la combustion dans un volume microscopique. Il offre une opportunité exceptionnelle de piloter des microdispositifs autonomes, notamment pour des applications médicales ou biologiques.

Aujourd’hui, il existe un certain nombre de rapports sur une activité chimique inhabituelle des interfaces aqueuses pour des objets présentant un rapport surface/volume élevé1. L'accélération des réactions organiques a été révélée dans les microgouttelettes présentes dans l'air2,3,4,5. Il a également été rapporté que le peroxyde d’hydrogène peut se former spontanément sous forme de microgouttelettes d’une taille de 1 à 20 μm6. Ces découvertes ouvrent de nouvelles possibilités d’applications biologiques et environnementales, même si le mécanisme d’accélération reste encore flou. De plus, des processus chimiques inexpliqués ont été observés dans des nanobulles (NB) volumineuses d’une taille inférieure à 1 µm. Les microbulles d'air en rétrécissement sont capables de produire des radicaux OH sans aucun stimuli externe, comme cela a été observé avec la spectroscopie de résonance de spin électronique7,8. Il a été confirmé indépendamment avec des molécules sondes que les radicaux OH sont produits par des NB remplis d'air, de gaz O\(_2\) et O\(_3\)9. La formation de radicaux libres est un phénomène déroutant puisqu’il n’existe aucune source d’énergie élevée dans le système.

Une combustion spontanée des gaz H\(_2\) et O\(_2\) a été observée dans les NB produits dans un processus électrochimique dit à polarité alternée (AP), lorsque la polarité des électrodes alterne avec une fréquence supérieure à 20 kHz10. ,11. La chaleur produite par la réaction a été mesurée à l’aide de dispositifs microfluidiques12,13. Les réactions de combustion normales dans un si petit volume ne peuvent pas être supportées, car la chaleur s'échappe trop rapidement à travers les parois des bulles14,15. La plus petite bulle, où il était possible d'allumer une combustion normale, avait une taille de 2 mm16. Néanmoins, la combustion se déroule spontanément dans les NB sans augmentation significative de la température locale (voir revue17 pour plus de détails).

Il a été proposé d'utiliser la combustion spontanée comme principe de base pour un nouvel actionneur destiné à piloter des microdispositifs12 ; un tel actionneur peut être petit (avec les trois dimensions dans la gamme des micromètres), rapide et solide. Les actionneurs piézoélectriques les plus avancés ne peuvent pas être plus petits que quelques millimètres pour produire une course raisonnable18,19,20,21. Ils ont également besoin d’une haute tension pour les piloter. Les actionneurs utilisant les forces électrostatiques sont faibles22,23,24, mais ceux utilisant le principe thermique sont lents25,26. Les actionneurs électrochimiques sont notoirement lents27,28,29,30,31,32, puisque le gaz peut être produit rapidement dans une chambre fermée, mais il faut quelques minutes pour se débarrasser de ce gaz même en utilisant les électrodes aux propriétés catalytiques33,34. Nous avons démontré l'actionneur électrochimique qui utilise la combustion spontanée des gaz dans les NB et dont le temps de réponse est comparable à celui des actionneurs piézoélectriques35. Cependant, le principal problème de ces dispositifs est une dégradation rapide des électrodes. D'un côté, le dépôt d'énergie provenant de l'explosion des NB fournit des contraintes locales importantes sur les électrodes chimiquement inertes telles que le platine. De l’autre côté, les matériaux plus durs sont oxydés, ce qui entraîne une réduction du courant37 comme c’est le cas pour le Ti.