苏州大学董彬教授课题组等《PNAS》：基于氮化碳/聚吡咯纳米颗粒的光驱动微纳米机器人

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在自然界中，许多微生物可以对光做出反应并表现出一定的趋光性，例如绿藻在弱光下可以主动靠近光源获取能量，强光下又能躲避光源免受伤害。受自然界的启发，近年来科学家发展了多种能够趋光运动的游动微纳米机器人，然而，实现像微生物一样同时具有趋光和避光的行为依然极具挑战。

近日，苏州大学董彬教授课题组联合中科院物理所杨明成教授课题组和华南师范大学董任峰教授合作报道了一种基于氮化碳（C₃N₄）/聚吡咯纳米颗粒（PPyNP）的游动微纳米机器人。在光照下，其行为类似于绿藻，其能够感知光强变化，在低光强下趋光运动，在强光下避光运动。这种仿生性的运动行为主要是由于同时集成到游动微纳米机器人中的两种协同竞争机制（自扩散泳和自热泳）所引起的。更为有趣的是，通过调节光强，这两种机制之间的协同竞争可以实现游动微纳米机器人集群在均匀光照下的群体双向趋避光运动以及在非均匀光场下的群体涡旋运动行为。这一研究成果为设计具有复杂运动行为的游动微纳米机器人提供了新思路，也为光驱动微纳米机器人的进一步应用奠定了基础。

图1.（A-D）C₃N₄/PPyNP游动微纳米机器人在较弱平行光下（0.4 W/cm²）趋光，中等强度平行光下（0.8 W/cm²）做类似布朗运动和较强平行光下（1.2 W/cm²）避光的示意图和轨迹图。(G-H) C₃N₄/PPyNP游动微纳米机器人在动态调整光强下（0.4 W/cm²-1.2 W/cm²）往复运动示意图和轨迹图像（入射光角度为30°）。

图2 （a-f）C₃N₄/PPyNP游动微纳米机器人集群在较弱平行光下（0.4 W/cm²）趋光，较强平行光下（1.2 W/cm²）避光和中等强度平行光下（0.8 W/cm²）做类似布朗运动的示意图和轨迹图（入射光角度为30°）。

图3 (A)在中等强度的发散光照射下C₃N₄/PPyNP游动微纳米机器人集群涡旋运动示意图和(B)对应的叠加光学显微镜图像。(C)在涡旋运动过程中不同位置的四个游动微纳米机器人的代表性轨迹和(D)和距离涡旋中心不同距离的旋转运动的线速度。(E)在中等强度发散光束内不同位置的游动微纳米机器人感受到不同局部光强示意图。(F)中等强度发散光光束内游动微纳米机器人涡旋运动的模拟视频截图。

该成果以“Bioinspired micro/nanomotor with visible light energy-dependent forward, reverse, reciprocating, and spinning schooling motion”为题发表在PNAS上。

文章链接：

https://www.pnas.org/content/118/42/e2104481118.short

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