CCI Phase I: NSF Center for Chemo-Mechanical Assembly
CCI 第一阶段:NSF 化学机械组装中心
基本信息
- 批准号:1740630
- 负责人:
- 金额:$ 180万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2017
- 资助国家:美国
- 起止时间:2017-09-01 至 2021-08-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Much as a river current carries a pebble, fluid flows can carry particulates such as nanoparticles and microcapsules. While mechanical pumps are conventionally used to drive fluid flow, chemical "pumps" can also propel fluid by using chemical reaction networks to create gradients in chemical concentrations and fluid densities. Researchers in the NSF Center for Chemo-Mechanical Assembly (CCMA) are creating new transformative tools to enable unprecedented control over fluid flow and particle organization in confined environments. These precisely controlled fluid flows enable the design of self-powered, self-sustaining systems that organize particles and are capable of performing complex functions such as an autonomous nanoparticle system that detects a chemical source and collectively delivers a response chemical to it resulting in a vital analysis or creation of a novel structure. The CCMA team includes expertise in catalysis, synthetic chemistry, physical chemistry, fluid flow, and modeling. In addition to providing the chemistry community with new chemical reaction network tools, CCMA is also contributing to science and technology workforce development by training students in multidisciplinary experimental and modeling techniques. Through its industry affiliates program, CCMA is engaging industry in student training and technology transfer. Concurrent with the research, the team is launching a vigorous program of education and outreach to the public. This includes expanding undergraduate and graduate research opportunities for underrepresented groups in research-based careers. The team is also participating in several large-scale public outreach programs including public lectures, designing hands-on traveling exhibits, and teaming with museums and science centers. Through collaborative research that combines innovative modeling and experimental studies, the NSF CCI Phase I: Center for Chemo-Mechanical Assembly (CCMA) is harnessing catalytic chemical reactions to introduce spatiotemporal chemical gradients that drive the flow of a surrounding fluid. This flow, in turn, enables the manipulation of the collective behavior of suspended particles to drive new modes of dynamic self-organization. The Center is developing novel approaches to cause directed transport of nano- and micron-scale materials, control particle organization in confined chambers, and establish new chemical routes for regulating non-equilibrium structure formation from particles in solution. These studies are providing the chemistry community with fundamentally new tools and knowledge, including new chemistries for the creation of catalytic cascades; determination of design rules for chemical feedback loops; demonstration of new modes of out-of-equilibrium assembly; and progress toward new understanding of the nonlinear behavior and auto-amplification emerging from these systems. Potential applications include the creation of standalone microfluidic devices that autonomously perform multi-stage chemical reactions and assays for portable biomedical applications; automated materials assembly in harsh environments; and small-scale factories that can operate autonomously to build microscale components for use in fine instrumentation and robotic systems, and, in parallel, to screen for optimal reaction parameters yielding micro-machines with specified properties. To generate excitement and public appreciation about this emerging area of chemistry, the CCMA team is participating in several large-scale public outreach programs at the participating institutions, including public lectures, hands-on traveling exhibits, and museum and science center projects.
就像河水携带卵石一样,流体流动也可以携带纳米颗粒和微胶囊等颗粒物。虽然机械泵通常用于驱动流体流动,但化学“泵”也可以通过使用化学反应网络产生化学浓度和流体密度梯度来推动流体。 NSF 化学机械组装中心 (CCMA) 的研究人员正在创建新的变革性工具,以实现对受限环境中的流体流动和颗粒组织进行前所未有的控制。这些精确控制的流体流动使得能够设计自供电、自维持的系统,这些系统能够组织颗粒并能够执行复杂的功能,例如自主纳米颗粒系统,该系统可以检测化学源并共同向其提供响应化学物质,从而产生重要的化学反应。分析或创建新颖的结构。 CCMA 团队拥有催化、合成化学、物理化学、流体流动和建模方面的专业知识。除了为化学界提供新的化学反应网络工具外,CCMA 还通过培训学生多学科实验和建模技术,为科学和技术劳动力的发展做出贡献。通过其行业附属计划,CCMA 正在与行业合作参与学生培训和技术转让。在进行研究的同时,该团队正在启动一项积极的教育和公众宣传计划。这包括为研究型职业中代表性不足的群体扩大本科生和研究生的研究机会。该团队还参加了多个大型公共推广项目,包括公开讲座、设计实践性巡回展览以及与博物馆和科学中心合作。通过结合创新建模和实验研究的合作研究,NSF CCI 第一阶段:化学机械组装中心 (CCMA) 正在利用催化化学反应引入时空化学梯度,从而驱动周围流体的流动。这种流动反过来又能够操纵悬浮颗粒的集体行为,从而驱动动态自组织的新模式。该中心正在开发新的方法来引起纳米和微米级材料的定向传输,控制密闭室内的颗粒组织,并建立新的化学途径来调节溶液中颗粒的非平衡结构形成。这些研究为化学界提供了全新的工具和知识,包括用于创建催化级联的新化学物质;确定化学反馈回路的设计规则;示范非平衡组装的新模式;以及对这些系统中出现的非线性行为和自动放大的新理解的进展。潜在的应用包括创建独立的微流体装置,该装置可以自主执行多阶段化学反应和便携式生物医学应用的测定;恶劣环境下的自动化材料组装;小型工厂可以自主运行,构建用于精密仪器和机器人系统的微型组件,同时筛选最佳反应参数,产生具有特定性能的微型机器。为了激发公众对这一新兴化学领域的兴趣和赞赏,CCMA 团队正在参与机构参加多个大型公共推广项目,包括公开讲座、实践巡回展览以及博物馆和科学中心项目。
项目成果
期刊论文数量(25)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Intelligent Nano/Micromotors: Using Free Energy To Fabricate Organized Systems Driven Far from Equilibrium
智能纳米/微电机:利用自由能源制造远离平衡的有组织系统
- DOI:10.1021/acs.accounts.8b00511
- 发表时间:2018-12
- 期刊:
- 影响因子:18.3
- 作者:Balazs, Anna C.;Fischer, Peer;Sen, Ayusman
- 通讯作者:Sen, Ayusman
Chemically controlled shape-morphing of elastic sheets
弹性片材的化学控制变形
- DOI:10.1039/d0mh00730g
- 发表时间:2020-09-01
- 期刊:
- 影响因子:13.3
- 作者:R. Manna;Oleg E. Shklyaev;H. Stone;A. Balazs
- 通讯作者:A. Balazs
Self-Organization of Fluids in a Multienzymatic Pump System
多酶泵系统中流体的自组织
- DOI:10.1021/acs.langmuir.8b03607
- 发表时间:2019-02
- 期刊:
- 影响因子:3.9
- 作者:Maiti, Subhabrata;Shklyaev, Oleg E.;Balazs, Anna C.;Sen, Ayusman
- 通讯作者:Sen, Ayusman
Organization of Particle Islands through Light-Powered Fluid Pumping
通过光动力流体泵浦组织粒子岛
- DOI:10.1002/anie.201811568
- 发表时间:2019-02
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Tansi, Benjamin M.;Peris, Matthew L.;Shklyaev, Oleg E.;Balazs, Anna C.;Sen, Ayusman
- 通讯作者:Sen, Ayusman
Controlling the Spatiotemporal Transport of Particles in Fluid-Filled Microchambers
控制充满流体的微室中粒子的时空传输
- DOI:10.1021/acs.langmuir.9b03546
- 发表时间:2020-06
- 期刊:
- 影响因子:3.9
- 作者:Laskar, Abhrajit;Shklyaev, Oleg E.;Balazs, Anna C.
- 通讯作者:Balazs, Anna C.
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