CN105041593A - 双面神结构的光驱动纳米马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双面神结构的光驱动纳米马达，主体为工作物质，部分表面蒸镀有金属薄膜，从而形成工作物质被部分包覆的双面神结构，剩余表面的工作物质可以发生见光分解反应产生气体驱动力。本发明的最大优点是光照这种驱动方式极为简便可控。这种纳米马达的制备工艺也相对简单。该发明不受溶液环境限制，运动方向具有可控性，有望实现快速准确的定向运载。

Description

双面神结构的光驱动纳米马达

技术领域

本发明涉及应用于光驱动的微纳米运输领域的机械，具体的是涉及一种双面神结构的光驱动纳米马达。

背景技术

纳米马达是一种能够利用环境中所具有的的能量，如化学能、磁能、电能等能量，并将其转化为运动能的纳米机械。综合纳米马达研究进展发现它具有如下特质：(1)、特征尺寸小，介于微米及纳米之间；(2)、重量轻，推重比大(推重比最大可达200以上)；(3)、功耗低，消耗溶质中物质能源。这种微小可控的运输机械必将在多种领域开创新的格局。

Whitesides最先开启了自驱动的宏观结构的研究，他在厘米尺寸的聚合物“船”的船尾安装了一个用作催化的铂条，从而实现了在过氧化氢溶液中的自驱动，Gao制备了一种柔性的纳米马达，这种马达由Ni-Ag-Au制成的三段纳米线组成，其中Ag段作为柔性段，当施加外部变化的磁场作用时，Ni段会发生旋转从而带动Ag和Au段转动，类似于螺旋桨一样推动马达在溶液中运动。Wang介绍了一种纳米线运动控制的电化学方法，在靠近纳米马达的地方放置金电极，通过改变电极的电势来微调纳米线的速度。当金电极的电势从-0.4V变化到1.0V时，马达的运动速度不断降低，而当金电极的电势从1.0V变化到-0.6V时，马达的运动速度不断升高。

Ozin通过调整过氧化氢溶液浓度以及Ni节的长度实现了人工合成的Au/Ni双金属线旋转运动角速度的控制。Mirkin通过将具有催化作用的金属节曝露在外的方式实现了非对称力的控制，Zhao则通过在Si纳米线的一边包覆上催化金属(Pt或者Ag)来实现非对称力的控制。Mou等研究了镁与水反应的球形马达，通过铂原子的包覆来控制气体流出的方向，但其反应过程需要在碳酸氢钠溶液中进行，运动方向并不可控。Feringa等利用吖啶定子结合噻喃转子研究其在不同温度和频率下的热陀螺旋转，加州大学伯克利分校的张翔等利用表面电浆子效应制作了一个纯金的纳米马达，通过调节光照的波长和频率控制纳米马达的转速。

如上所述，公开报道的纳米马达其运动能量来源主要集中于催化双氧水的氧化还原反应，还有磁场和电场驱动，不对称结构的纳米棒催化驱动，镁与水反应的反冲驱动等。已有的研究成果其驱动方式主要集中在催化金属化学能，现有光照驱动的纳米马达还不能实现平动。

通过专利查询可知，仅有的关于双面神结构的专利是Janus纳米材料及其制备方法。其主要内容是基于界面自组装和相分离机理，得到有机/无机杂化Janus颗粒，通过控制反应物浓度和种类等条件实现Janus纳米颗粒或多孔片状材料的尺寸、微结构和化学组成的可控。

有关纳米马达的发明其主要驱动方式还是集中在金属催化过氧化氢溶液产生气体的驱动，如哈工大的贺强等是将部分表面溅射金属铂层的介孔二氧化硅粒子放入过氧化氢溶液中催化驱动，人造纳米管作为纳米马达是将将聚电解质层层组装至模板的孔中组装成金属催化粒子，得到人造纳米管催化过氧化氢溶液实现马达游动。福州大学的孙建军使用了成本低廉的铁镍合金组分代替了Pt组分，该铁镍合金纳米马达在H₂O₂和N₂H₄混合燃料中的运动速度比Au-Pt纳米马达在单一燃料中的运动速度快了5～10倍。还有中科院纳米所基于摩擦力变化的纳米马达是接触头和两组压电陶瓷构成的驱动器，该纳米马达是在控制器的时序电压控制下进行一维纳米尺度的运动。海兹思纳米公司基于尺蠖运动的纳米马达在驱动轴两侧设有大小相同且相互对称的两个驱动器压片，两个驱动器压片分别通过可调节夹紧螺丝与箱体连接，两个驱动器压片靠近驱动轴的一侧均设有驱动器，克服了电压变化时引起的振荡，增加了纳米马达的稳定性。南京邮电大学基于剪切压电效应的纳米马达是将剪切压电陶瓷驱动器通过预紧机构对夹持机构施加的预紧力与输出件的驱动面相触接，增大了剪切压电叠堆马达的驱动能力，使其能在更低的温度下实现较低电压的行走。综上所述，真正意义上的光照驱动的纳米马达尚未出现。

纳米马达的研究仍处在起步阶段，尚未形成完整的研究体系，距离实际应用仍有很多关键问题亟待解决：(1)、马达工作环境受到限制；(2)、制备工艺复杂，不适于大规模推广；(3)、马达运动方向随机性较大，给实际应用制造了困难。

现有的成果不能满足人们实际应用的需求，因此急需一种工作环境不局限于某一溶液，制备简单，可控性好的纳米马达。目前在文献资料中还没有以光照驱动实现定向运动的纳米马达。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出的一种双面神结构的光驱动纳米马达，首创了见光分解物质产生气体驱动力实现定向移动的纳米马达，其制备过程相对简单，工作环境并不局限于某一单一溶液，根据需要可以制备不同结构的纳米马达，通过调节光照即可实现运动方向可控。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：双面神结构的光驱动纳米马达，主体为工作物质，部分表面蒸镀有金属薄膜，从而形成工作物质被部分包覆的双面神结构，剩余表面的工作物质可以发生见光分解反应产生气体驱动力。

按上述方案，所述的工作物质为见光易分解产生气体的物质。

按上述方案，所述的见光易分解产生气体的物质为硝酸银晶体、碳酸银、次氯酸盐、高锰酸钾、高锰酸钠、过氧化物、超氧化物、臭氧化物或卤化银。

按上述方案，所述的金属薄膜为银、铂、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、银、铂或金以及上述金属所组成的的合金薄膜。

按上述方案，所述的工作物质的形状为对称结构，双面神结构的光驱动纳米马达运动方式为单向。

按上述方案，其中的反应物质的形状为非对称结构，双面神结构的光驱动纳米马达运动方式为旋进。

1)工作原理(见图1)

本发明首创了光照驱动的纳米马达，利用见光易分解物质产生气体驱动力的性质制备了双面神结构的气泡驱动马达。然后在反应物质表面蒸镀金属薄膜形成包覆层，从而形成反应物质被部分包覆的双面神结构。未被蒸镀上的底面可以发生见光分解现象，从而推动粒子的定向运动。工作环境选用反应物质溶解度较小的溶液。

2)双面神制备(见图2、3)

由于现有的反应物质的晶粒大小并不均匀，也不能稳定附着在玻璃基板上，所以采用析晶的方法得到大小相对均匀可附着的晶粒，将附有硝酸银晶粒的载玻片放入到高真空电子束蒸发设备的样品架上蒸镀金属层，通过调节电子束电流和蒸镀时间可以控制蒸镀膜厚，反应物质表面蒸镀金属薄膜形成包覆层，从而形成反应物质被部分包覆的双面神结构。晶粒对称均匀的反应物质被包覆后的双面神结构可以实现平动，而类似陀螺形状的晶粒被包覆后作旋进运动。

本发明的最大优点是光照这种驱动方式极为简便可控。这种纳米马达的制备工艺也相对简单。该发明不受溶液环境限制，运动方向具有可控性，有望实现快速准确的定向运载。与化学催化驱动的方法对比，运动的大小和方向都相对可控，反应过程也可以随时终止，双面神结构的粒子大小主要取决于工作物质晶粒的大小，镀层的厚度可以控制在100nm之内，实验中观察到的运动粒子直径小于1μm；纳米马达在药物定向运输，改变细胞排列状态、生物传感器、环境治理等方面有巨大的应用前景。采用人工合成的双面神结构的纳米马达还有一个好处，即可以根据不同要求有针对性地设计出不同的包覆层，使制造出的马达具备各种性能，这些马达可以有不同的转化效率和运动速率，也可以设计成能把物体搬运到更远距离的双面神粒子。当纳米马达技术足够成熟时，这一技术就可以实现微观的定向运载功能。纳米马达能把光能转化为机械能，一旦被人类完美地控制，就可以完全充当纳米机器人的发动机。

附图说明

图1是双面神结构的纳米马达在光照条件下的运动机理图；

图2是本发明双面神结构纳米马达的制备方法图；

图3是双面神结构纳米马达的示意图；

图4是AgNO₃/Ag双面神结构粒子在酒精溶液中的运动轨迹示意图；

图5是AgNO₃/Pt双面神结构粒子在酒精溶液中的运动轨迹示意图。

具体实施方式

双面神结构的光驱动纳米马达，主体为工作物质，部分表面蒸镀有金属薄膜，从而形成工作物质被部分包覆的双面神结构，剩余表面的工作物质可以发生见光分解反应产生气体驱动力。

按上述方案，所述的工作物质为见光易分解产生气体的物质。

按上述方案，所述的见光易分解产生气体的物质为硝酸银晶体、碳酸银、次氯酸盐、高锰酸钾、高锰酸钠、过氧化物、超氧化物、臭氧化物或卤化银。

按上述方案，所述的金属薄膜为银、铂、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、银、铂或金以及上述金属所组成的的合金薄膜。

按上述方案，所述的工作物质的形状为对称结构，双面神结构的光驱动纳米马达运动方式为单向。

按上述方案，其中的反应物质的形状为非对称结构，双面神结构的光驱动纳米马达运动方式为旋进。

下面通过实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明实施例以制备硝酸银晶体和金属银以及硝酸银晶体和金属铂的双面神结构为例，硝酸银的斜立方晶体的分解是在溶液中进行，产生气体的反冲力可作为粒子运动的推动力。本文制备了双面神结构的粒子，某一面上存在见光分解作用，其余各面被金属镀层(金属银或金属铂)遮挡不发生见光分解作用，因此双面神结构的粒子可以做定向运动。

如图2，由于现有高纯度硝酸银晶粒的大小并不均匀，也不能稳定附着在玻璃基板上，所以采用析晶的方法得到大小相对均匀可附着的晶粒。首先选用纯度为99.8％的硝酸银晶体和超纯水配置硝酸银过饱和溶液，通过针管滴加到洁净的载玻片上，然后通过氯化钙干燥的方法析晶得到尺寸较小分布均匀的硝酸银晶粒，为了尽可能的避免硝酸银见光分解，本发明的实验过程全部在暗室中完成。镀膜设备采用的是JZCF-450S高真空双室蒸镀设备，将附有硝酸银晶粒的载玻片放入到高真空电子束蒸发设备的样品架上蒸镀30min，真空度为7*10^-4Pa,基底温度60℃，蒸镀厚度为80-200nm的铂膜,通过调节电子束电流和蒸镀时间可以控制蒸镀膜厚，这样即可制备出AgNO₃/Ag或AgNO₃/Pt的双面神结构。

本发明的工作原理，如图1：

硝酸银见光分解有两种情况：

2AgNO₃＝2Ag+2NO₂↑+O₂↑(1)

4AgNO₃+H₂O＝4Ag+4HNO₃(g)↑+O₂↑(2)

双面神结构的粒子在微溶于酒精溶液中的运动更为明显，硝酸银见光分解产生的二氧化氮气体极易溶于水，气体部分溶解使推动力减小会影响粒子运动的速度，粒子的形状和溶液的粘滞系数也会影响阻力的大小，光照强度决定分解的速率和双面神结构中工作物质所占的比重是决定推动力大小的关键因素，这些因素都会影响粒子的运动速度。

显微观察：从图4可以看出AgNO₃/Ag双面神结构在无水乙醇中的运动轨迹，三个运动粒子直径在3μm左右，图3中粒子在0-0.28s内的运动轨迹，每隔0.04s取一个点，上述粒子最大运动速度超过700μm/s。

图5是AgNO₃/Pt双面神结构粒子在酒精溶液中的运动轨迹示意图。运动粒子直径小于1μm，其最大运动速度约为130μm/s。

本发明以硝酸银晶体和金属银或铂形成的双面神结构粒子在酒精溶液中的运动为例，观察双面神结构粒子在酒精溶液中的运动，发现该纳米马达具有不受溶液环境限制，运动方向具有可控性，有望实现快速准确的定向运载等优点。

Claims (6)

1.双面神结构的光驱动纳米马达，主体为工作物质，部分表面蒸镀有金属薄膜，从而形成工作物质被部分包覆的双面神结构，剩余表面的工作物质可以发生见光分解反应产生气体驱动力。

2.根据权利要求1中所述的双面神结构的光驱动纳米马达，其特征在于所述的工作物质为见光易分解产生气体的物质。

3.根据权利要求1或2中所述的双面神结构的光驱动纳米马达，其特征在于所述的见光易分解产生气体的物质为硝酸银晶体、碳酸银、次氯酸盐、高锰酸钾、高锰酸钠、过氧化物、超氧化物、臭氧化物或卤化银。

4.根据权利要求1或2中所述的双面神结构的光驱动纳米马达，其特征在于，所述的金属薄膜为银、铂、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、银、铂或金以及上述金属所组成的的合金薄膜。

5.根据权利要求1中所述的双面神结构的光驱动纳米马达，其特征在于，所述的工作物质的形状为对称结构，双面神结构的光驱动纳米马达运动方式为单向。

6.根据权利要求1中所述的双面神结构的光驱动纳米马达，其特征在于，其中的反应物质的形状为非对称结构，双面神结构的光驱动纳米马达运动方式为旋进。