微纳米马达的运动控制与粒子运输, 武汉理工取得重要进展

海归学者发起的公益学术平台

分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月

2016年诺贝尔化学奖颁给了研制世界上最小机器—分子机器 (molecular machines) 的Jean-Pierre Sauvage、Sir J. Fraser Stoddart和Bernard L. Feringa三位科学家。这一荣誉，被认为将掀起研究这一类小尺寸机器的热潮。早在1966年，看过一部当年好莱坞科幻电影《Fantastic voyage》的人们，都会被注射进入人体的微米级“缩微医生”进行血管手术的场景所震撼。电影淋漓尽致地描述了研究人员将机器缩小到微纳米尺寸给人类带来的革命性变化，但这样的科幻场景，如今已不再遥远。

微纳米马达是可以将其他形式的能量 (如化学能) 转化为自身动能的微纳米粒子或器件。在化学领域，人们将这类微纳米马达归类为“活性胶体粒子”，可以进行药物定向输送，细胞分离或者微区手术等。目前的自驱动微纳米马达一般是通过复杂的非对称结构在它周围的微小区域构建一个非对称场，比如溶质的浓度梯度场或温度梯度场等，进而推动马达运动。由于这类微纳米马达的尺寸很小，它们在溶液环境中非常容易受到随机的布朗运动或局部液体扰动的影响而转动，导致马达的推进力偏离其原来的方向。因此，目前所发展的微纳米马达大部分都只能进行曲线或者无规运动，除非采用一些复杂的外场操控技术。事实上，即使运用外场，要同时控制微纳米马达的运动速率和方向也是极具挑战性的问题，是长久以来限制这个领域发展的瓶颈。

官建国教授（左）和张清杰教授(右）

近日，国际材料学科顶级期刊Advanced Materials以长达8页的篇幅，用Communication形式报道了武汉理工大学的官建国教授课题组依据来自于自然界的灵感，发展的一种新型光控微纳米马达的设计方法¹。论文的通讯作者为材料复合新技术国家重点实验室的官建国教授和张清杰教授。

a, 太阳光照射下的地球的卫星照片²。b, 二氧化钛微米马达的SEM照片。

官教授团队意识到微纳米马达的非对称结构是制约着它们进行定向运动的根本原因，从而着手对微纳米马达的结构开始简化。最简单的结构莫过于球形，但是如何在对称的球形粒子表面构造出非对称的化学反应来产生驱动力是一个难点。鉴于此，团队构想利用光在二氧化钛粒子表面构造一个“临时的”双面神结构。当一束特定波长的光从一定角度照射在二氧化钛微米粒子上时，粒子向光的一面直接受到照射，而背光面则由于粒子自身对光的吸收作用而形成阴暗面。光照面受到光激发，产生的空穴与电子跃迁至材料表面，与溶液环境中的燃料分子反应，激发局部的扩散泳 (diffusiophoresis) 来推动粒子向着远离光源的方向运动。这种在微纳米粒子上构建的“临时的”双面神结构就如同我们的地球一样，无论地球如何转动，面对太阳的一面永远是白天，而另一面则是黑夜。同样，这种“临时的”双面神结构使得粒子任意转动时，都能保证光化学反应的相对位置不变，从而使微纳米马达可以排除布朗运动等因素的干扰，实现定向运动。更进一步来说，当光照射的方向改变时，粒子则会改变推进方向，继续定向运动。

这类半导体微米粒子的运动行为和自然界的生物趋光特性非常相似。例如，蓝藻细胞能够根据细胞内外的化学信号不同而进行正负趋光的转换。而这类半导体微纳米粒子由于光化学反应产物的不同也可以进行正趋光或者负趋光的运动。比如当选用氧化锌或者硫化镉半导体粒子制成微纳米马达时，在光照作用下马达会释放出的离子型产物，从而产生正趋光运动。

a, 半导体微米粒子在光照下进行负趋光运动的示意图。b, 二氧化钛微米马达在紫外光照下的定向可控运动。

这类半导体马达在运动的时候也会对其周围的微纳米颗粒产生“泳吸”作用(phoretic attraction)。谈及这项新技术的应用时，作者们也在文章中展示了光控半导体马达对于微纳米粒子的操纵能力，如视频所示：一个直径为3.5 μm的二氧化钛粒子在光的引导下，成功地将不同地方的惰性二氧化硅粒子搬运到了设定的区域。这种精确控制并操纵微纳米粒子的技术，将会对未来微纳米货物运输，微区光刻以及微流体的发展起到重要的推动作用。 

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=p0338e0jmzy&width=500&height=375&auto=0

视频1. 二氧化钛微米马达对二氧化硅粒子进行搬运.

“人们总是认为越复杂的事物越能显现出设计的精妙与科学的尖端。其实恰恰相反，科学的目的应该是用最简单的方式来解决最困难的问题。”官教授在接受知社采访的时候说到， “这正印证了达芬奇的那句名言: Simplicity is the ultimate sophistication.” 

无独有偶，在这篇论文发表的同一天，Nature Nanotechnology也发表了一篇利用复杂结构半导体复合材料的趋光特性来控制微纳米马达的文章³。两篇关于微纳米马达光控定向运动的文章同一天发表，这既是巧合，也预示着这个领域的研究在抢占前沿阵地方面的竞争会变得更趋激烈。毫无疑问，这种白热化的竞争状态会在不久的将来迎来微纳米马达领域的突破性进展。

公众号内回复“光控”，下载相关论文

参考文献：

1. C. Chen, F. Mou, L. Xu, S. Wang, J. Guan, Z. Feng, Q. Wang, L. Kong, W. Li, J. Wang and Q. Zhang. Light-steered isotropic semiconductor micromotors. Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.201603374.

2. http://il3.picdn.net/shutterstock/videos/12473399/thumb/8.jpg

3. B. Dai, J. Wang, Z. Xiong, X. Zhan, W. Dai, C.-C. Li, S.-P. Feng, J. Tang, Programmable artificial phototactic microswimmer. Nat Nano, doi:10.1038/nnano.2016.187.

扩展阅读

 

本文为知社特邀原创，媒体转载请联系授权

投稿、授权、合作事宜请联系

[e-mail] 或微信ID: scholarset

回复“目录”或“分类”，浏览知社更多精华。长按二维码识别，可以关注/进入公众号进行回复。