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催化型微纳马达的制备与性能

董任峰  
【摘要】:微纳马达是指尺寸在微米或者纳米级别,在不同刺激下可以被驱动的微观器件。近年来,微纳马达发展迅速,尤其是在能量,效率,行为控制以及速率等方面发展尤为显著,不仅如此,微纳马达应用上也取得了巨大的成就,如水质检测,水污染治理,蛋白质传递,DNA识别,癌细胞捕捉等,为未来环境保护和生物医学技术开辟了一个全新的重要的技术研究领域。也正是由于微纳马达在微观机械,组装,机器人科学,摩擦学,流变学,以及化学和生物化学传感器等领域具有良好的应用前景,越来越多的科研小组开始专注于研究和开发新型的微纳结构,探索更加绿色节能的驱动方式,探究如何精确控制其运动行为,使其完成各种微观领域的复杂任务。微纳马达的探索已经成为现代微观研究领域的一大重要课题,对于微观科技领域的发展具有深远的理论意义和应用前景[1]。本文将简要介绍微纳马达的相关背景,包括微纳马达的发展,分类,工作原理,制作方法,性能以及其应用等方面,然后,着重介绍一系列催化型微纳马达的制备及其性能的表征。催化型微纳马达即通过化学催化反应,将化学能转换为机械动能,推动马达运动的一类马达,也是目前最具有应用潜力的微纳马达之一。根据燃料不同,可以分为水驱动型[2],联氨驱动型[3],过氧化氢驱动型[4],以及酸驱动型[5]。水驱动型微纳马达一直是人们研究的热点,水被认为是最绿色环保的燃料之一。在第二章中介绍了一种通过紫外光远程引发的,并且以水为燃料而驱动的TiO2/Au Janus微球马达,除了其速度可以通过调节紫外光的强度以及加入H2O2的含量来改变外,最大的优势是可以在超低紫外光能量下运动,比之前报道的紫外光驱动的马达能量需求低100倍。这种新型的水驱动的微球马达和以往常见的化学燃料驱动的微球马达不同,它无需添加额外的表面活性剂或者化学燃料,并且能在超低能量的紫外光强度下(2.5×10-3 W/cm2)被驱动,当紫外光能量为40×10-3 W/cm2时,其在水中的运行速度可以达到25 bl/s(body length/s)。此外,这种微纳马达可以在运动的同时,光催化降解水中的有机染料,达到净化污水的目的。这种无化学燃料的,极低能量驱动的,响应速度极快的,运动行为可控的,可光催化降解有机污染物的新型光催化微球马达具有广阔的应用前景。联氨驱动型马达是一种新型的催化型马达。在第三章中介绍了一种在极低化学燃料(联氨)浓度下运动的催化微马达,这种联氨驱动的基于Ir的Janus马达,与普通H2O2驱动的基于Pt的马达相比,可在燃料浓度低10000倍的情况下,以超过20μm/s的速度运动。受到这种马达的启发,进一步设计了一种不需要直接加入燃料的全新驱动方式:蒸汽驱动,即通过联氨蒸汽驱动的催化型微纳马达。这种新型的蒸汽驱动的催化型微纳马达为气体感应,危险检测以及环境监控提供了新的思路。过氧化氢是催化型微纳马达中最常见的燃料,因此H2O2驱动型微纳马达是最常见的一种催化型马达。然而,高浓度的H2O2由于其毒性极大的限制了其应用,因此,为了提高H2O2的利用率,探索在低浓度H2O2下运动的微管马达,在第四章中介绍了一种外壁是聚合物聚(3,4-亚乙二氧基噻吩),内壁是碳纳米管-铂的复合物的管状PEDOT/CNT-Pt马达。因为CNT的引入,这种新型的微管马达对H2O2的催化效率显著增加,在0.1%的H2O2浓度下,其运动速度仍然可以达到50μm/s,有效的提高了马达的运动性能,从而扩展了马达的应用范围。酸驱动型微纳马达由于其独特的优势,被认为是应用在生物活体内最具潜力的微纳马达。它不仅可以以胃酸为燃料运动,并且反应产物对生物体无害无毒。因此,基于对酸驱动型马达运动原理的理解,在第五章中介绍了首次研究微纳马达在老鼠活体器官里的行为。这个工作为微纳马达在生物活体内的研究和未来的临床的应用开创了一个全新的世界。本文对微纳马达的概况进行了简单的介绍,并且制备了一系列催化型微纳马达,并对其性能进行了表征,进一步对其在环境监控以及生物医药方面的应用进行了扩展。微纳马达是目前微观研究领域的一个重要的研究方向,对于未来各领域的研究与应用具有深远的意义!


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