CN107598154B - 液态金属复合高分子刷马达的制备及做为纳米马达的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液态金属复合高分子刷马达的制备及做为纳米马达的应用，方法：一、制备磁性纳米粒子；二、磁性纳米粒子装载到多孔模板中；三、液态金属固定到多孔模板中；四、模板中的液态金属单面置换金属；五、高分子刷合成；六、去除模板，得到液态金属复合高分子刷马达。将液态金属复合高分子刷马达作为微纳米马达置于流体中，并对其施加周期变化的磁场，液态金属复合高分子刷马达不对称构型和高分子刷不对成分布使液态金属复合高分子刷马达和流体介质进行相互作用，实现马达在长轴方向的有效运动。本发明具有尺寸可控且均一，刺激响应性可选择，保存时间长，兼具数量等优点，在生物医学、环境治理和仿生学等领域有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种液态金属复合高分子刷马达的制备及做为纳米马达的应用，属于高分子刷马达的制备方法及应用技术领域。
背景技术
由于微纳米马达在生物医学等领域的应用前景，所以合成各种特殊结构，使用特种材料的微纳米马达成为目前的研究热点之一。又因为微纳米尺度的低雷诺数条件，马达的驱动方式和运动行为成为了评价马达性能的重要标准。溶剂热法、电化学沉积法和层层自组装法是常见的制备微纳米马达的方法。但是都有各自的缺点，难以应用到液态金属这种材料上：溶剂热法难以精确控制马达的化学组成和几何形态；电化学沉积法废液处理困难，成本高；层层组装法的常见组成物质的表面能低，难以用于和液态金属复合。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即溶剂热法难以精确控制马达的化学组成和几何形态；电化学沉积法废液处理困难，成本高；层层组装法的常见组成物质的表面能低，难以用于和液态金属复合。进而提供一种液态金属复合高分子刷马达的制备及作为纳米马达的应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种液态金属复合高分子刷马达的制备方法，步骤如下，
步骤一、称取氯化亚铁0.1g～2.0g和氯化铁0.2g～2.5g于40ml～100ml去离子水中制成溶液，溶液加入烧瓶中加热至65℃～85℃，在搅拌中加入1ml～10ml氨水，加入完毕后继续加热20min～60min，产物用磁铁吸引并清洗6～10次后加入稳定剂，稳定剂为柠檬酸钠，4ml浓度为0.1～1g/ml的柠檬酸钠在搅拌中加入，加入完毕后继续加热40min～200min，得到磁性纳米粒子；
步骤二、磁性纳米粒子的组装：以多孔阳极氧化铝、聚碳酸酯(PC)或多孔硅片为模板，将步骤一得到的磁性纳米粒子浓度稀释至0.1～5mg/mL；将对应模板投入到稀释后的磁性纳米粒子溶液中，取出后用去离子水清洗；操作3～5次，完成了磁性纳米粒子的组装；
步骤三、将经步骤二处理的模板置于液态金属镓表面，使用真空抽滤法处理1～2小时，并依次使用市售过氧化氢溶液和无水乙醇处理模板表面，得到液态金属填充的模板；
步骤四、将经步骤三处理的单面模板放置到市售镀金液中部分置换得金；
步骤五、将经步骤四处理的模板进行ATRP聚合，方法为，将0.1～5mg的CuBr、1～20μL的1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺(PMDETA)、0.1～5m L的甲醇依次放入圆底烧瓶中混匀并隔绝氧气，加入0.1～4g的N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体和10m L的去离子去氧水，将浸渍过引发剂DTBU的模板放入另一圆底烧瓶中，进行3～7次抽真空、充氮气后，持续通入氮气；然后将配置好的澄清溶液导入到放有模板的圆底烧瓶中，在室温条件下，反应若干小时，然后依次用异丙醇、乙醇和水冲洗；
步骤六、将经步骤五处理的模板使用对应溶液进行去模板处理，得到液态金属复合高分子刷马达。
一种液态金属复合高分子刷马达的应用，
将制备的液态金属复合高分子刷马达置于流体中施加周期变化磁场，使其作为微纳米马达运动；同时通过对应的外部刺激，调控高分子刷形态，改变马达的运动行为。
本发明利用具有均一孔道的纳米管模板、磁性的四氧化三铁纳米粒子、刺激响应高分子刷和液态金属，制备液态金属复合高分子刷马达。其使用的方法为浸渍法、真空抽滤法和ATRP方法。将磁性粒子、液态金属、刺激响应高分子刷结合制备出的液态金属复合高分子刷马达，放置入流体中施加特定周期变化磁场，此人造微纳米马达通过其本身不对称构型和高分子刷的不对称分布，与流体进行相互作用，实现在流体中的有效运动。制备出的液态金属复合高分子刷马达具有尺寸可控且均一，刺激响应性可选择，保存时间长的优点。在不同的流体中通过调节外加磁场的参数，调控马达在流体中的运动行为和速率，实现微纳米马达在流体中的有效位移，达到微纳米马达在不同流体中运动的目的。
本发明制备的液态金属复合高分子刷马达在生物医学、环境治理和仿生学等领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的液态金属复合高分子刷马达的结构示意图。
图2是本发明的液态金属复合高分子刷马达的运动原理图。
图3是试验例制备的液态金属复合高分子刷马达的扫描电镜照片。
图4是试验例制备的液态金属复合高分子刷马达运动的光学显微镜照片。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本实施例所涉及的一种液态金属复合高分子刷马达的制备方法，步骤如下，
步骤一、称取氯化亚铁0.1g～2.0g和氯化铁0.2g～2.5g于40ml～100ml去离子水中制成溶液，溶液加入烧瓶中加热至65℃～85℃，在搅拌中加入1ml～10ml氨水，加入完毕后继续加热20min～60min，产物用磁铁吸引并清洗6～10次后加入稳定剂，稳定剂为柠檬酸钠，4ml浓度为0.1～1g/ml的柠檬酸钠在搅拌中加入，加入完毕后继续加热40min～200min，得到磁性纳米粒子；
步骤二、磁性纳米粒子的组装：以多孔阳极氧化铝、聚碳酸酯(PC)或多孔硅片为模板，将步骤一得到的磁性纳米粒子浓度稀释至0.1～5mg/mL；将对应模板投入到稀释后的磁性纳米粒子溶液中，取出后用去离子水清洗；操作3～5次，完成了磁性纳米粒子的组装；
步骤三、将经步骤二处理的模板置于液态金属镓表面，使用真空抽滤法处理1～2小时，并依次使用市售过氧化氢溶液和无水乙醇处理模板表面，得到液态金属填充的模板；
步骤四、将经步骤三处理的单面模板放置到市售镀金液中部分置换得金；
步骤五、将经步骤四处理的模板进行ATRP聚合，方法为，将0.1～5mg的CuBr、1～20μL的1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺(PMDETA)、0.1～5m L的甲醇依次放入圆底烧瓶中混匀并隔绝氧气，加入0.1～4g的N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体和10m L的去离子去氧水，将浸渍过引发剂DTBU的模板放入另一圆底烧瓶中，进行3～7次抽真空、充氮气后，持续通入氮气；然后将配置好的澄清溶液导入到放有模板的圆底烧瓶中，在室温条件下，反应若干小时，然后依次用异丙醇、乙醇和水冲洗；
步骤六、将经步骤五处理的模板使用对应溶液进行去模板处理，得到液态金属复合高分子刷马达。
步骤一中，磁性纳米粒子的粒径为5nm～100nm。
步骤二中，多孔硅片的孔径为1μm～5μm。
步骤二中，聚碳酸酯膜的孔径为50nm～5μm。
步骤二中，多孔阳极氧化铝孔径为200nm～500nm。
步骤五中，刺激响应性高分子刷使用温敏高分子刷PNIPAM，盐溶液响应高分子刷PMETAC，pH值响应高分子刷PHEMA、PDMA、PEMA。
步骤二中的模板为多孔硅片时，步骤六中的模板处理溶剂为氢氟酸或氟化铵溶液。
步骤二中的模板为聚碳酸酯时，步骤六中的模板处理溶剂为二氯甲烷或N，N-二甲基甲酰胺(DMF)。
步骤二中的模板为多孔阳极氧化铝时，步骤六中的模板处理溶剂为磷酸或氢氧化钠溶液。
一种液态金属复合高分子刷马达的应用，
将制备的液态金属复合高分子刷马达置于流体中施加周期变化磁场，使其作为微纳米马达运动；同时通过对应的外部刺激，调控高分子刷形态，改变马达的运动行为。
试验例：本试验例液态金属复合高分子刷马达的制备方法按以下步骤进行：
一、称取氯化亚铁0.5g和氯化铁1g于50ml去离子水中，溶液加入烧瓶中加热至80℃，在搅拌中加入4ml氨水，加入完毕后继续加热60min，产物用磁铁吸引并清洗7次后加入稳定剂，4ml浓度为0.2g/ml的柠檬酸钠在搅拌中加入，加入完毕后继续加热60min，得到磁性纳米粒子；
二、磁性纳米粒子的组装：将步骤一得到的磁性纳米粒子浓度稀释至2mg/mL；将对应模板投入到稀释后的磁性纳米粒子溶液中，取出后用去离子水清洗；操作3次，完成了磁性纳米粒子的组装；
三、将经步骤二处理的模板置于液态金属镓表面，使用真空抽滤法处理2小时，并依次使用市售过氧化氢溶液和无水乙醇处理模板表面，得到液态金属填充的模板；
四、将经步骤三处理的单面模板放置到市售镀金液中部分置换得金；
五、将经步骤四处理的模板进行ATRP聚合，具体实施方法为将1.8mg CuBr、20μL1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺(PMDETA)、5m L甲醇依次放入圆底烧瓶中混匀并隔绝氧气，加入2g N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体和10m L去离子去氧水，将浸渍过引发剂DTBU的模板放入另一圆底烧瓶中，进行7次抽真空、充氮气后，持续通入氮气。然后将配置好的澄清溶液导入到放有模板的圆底烧瓶中，在室温下，反应若干小时，然后依次用异丙醇、乙醇、水冲洗；
六、将经步骤五处理的模板使用对应溶液进行去模板处理，得到液态金属复合高分子刷马达。
本试验例得到的液态金属复合高分子刷马达的扫描电镜照片如图3所示，从图3可以看出，人造微纳米马达的直径为400到500nm，长径为8到10μm，液态金属复合高分子刷马达具有不对称几何构型和单侧高分子刷修饰。
将本试验例得到的液态金属复合高分子刷马达放在水、磷酸盐缓冲液、细胞培养基、血清中施加合适周期变化磁场，实现马达摆动。
将本试验例得到的液态金属复合高分子刷马达进行升温、调节盐浓度、pH值等操作，可以改变马达的运动行为和速度。
本试验例得到的液态金属复合高分子刷马达作运动的光学显微镜照片如图4所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种液态金属复合高分子刷马达的制备方法，其特征在于，
步骤一、称取氯化亚铁0.1g～2.0g和氯化铁0.2g～2.5g于40ml～100ml去离子水中制成溶液，溶液加入烧瓶中加热至65℃～85℃，在搅拌中加入1ml～10ml氨水，加入完毕后继续加热20min～60min，产物用磁铁吸引并清洗6～10次后加入稳定剂，稳定剂为柠檬酸钠，4ml浓度为0.1～1g/ml的柠檬酸钠在搅拌中加入，加入完毕后继续加热40min～200min，得到磁性纳米粒子；
步骤二、磁性纳米粒子的组装：以多孔阳极氧化铝、聚碳酸酯膜或多孔硅片为模板，将步骤一得到的磁性纳米粒子浓度稀释至0.1～5mg/mL，将对应模板投入到稀释后的磁性纳米粒子溶液中，取出后用去离子水清洗，磁性纳米粒子的组装操作3～5次，完成了磁性纳米粒子的组装；
步骤三、将经步骤二处理的模板置于液态金属镓表面，使用真空抽滤法处理1～2小时，并依次使用市售过氧化氢溶液和无水乙醇处理模板表面，得到液态金属填充的模板；
步骤四、将经步骤三处理的模板的单面放置到市售镀金液中部分置换得到带有金的模板；
步骤五、将经步骤四处理的模板进行ATRP聚合，方法为，将0.1～5mg的CuBr、1～20μL的1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺、0.1～5m L的甲醇依次放入圆底烧瓶中混匀并隔绝氧气，加入0.1～4g的N-异丙基丙烯酰胺单体和10m L的去离子去氧水配置澄清溶液，将浸渍过引发剂DTBU的模板放入另一圆底烧瓶中，进行3～7次抽真空以及充氮气后，持续通入氮气；然后将配置好的澄清溶液导入到放有模板的圆底烧瓶中，在室温条件下，反应若干小时，然后依次用异丙醇、乙醇和水冲洗；
步骤六、将经步骤五处理的模板使用对应溶液进行去模板处理，得到液态金属复合高分子刷马达；高分子刷为刺激响应性高分子刷。
2.根据权利要求1所述的一种液态金属复合高分子刷马达的制备方法，其特征在于，步骤一中，磁性纳米粒子的粒径为5nm～100nm。
3.根据权利要求1所述的一种液态金属复合高分子刷马达的制备方法，其特征在于，步骤二中，多孔硅片的孔径为1μm～5μm。
4.根据权利要求1所述的一种液态金属复合高分子刷马达的制备方法，其特征在于，步骤二中，聚碳酸酯膜的孔径为50nm～5μm。
5.根据权利要求1所述的一种液态金属复合高分子刷马达的制备方法，其特征在于，步骤二中，多孔阳极氧化铝孔径为200nm～500nm。
6.根据权利要求1所述的一种液态金属复合高分子刷马达的制备方法，其特征在于，步骤二中的模板为多孔硅片时，步骤六中的去模板处理溶液为氢氟酸或氟化铵溶液。
7.根据权利要求1所述的一种液态金属复合高分子刷马达的制备方法，其特征在于，步骤二中的模板为聚碳酸酯膜时，步骤六中的去模板处理溶液为二氯甲烷或N，N-二甲基甲酰胺。
8.根据权利要求1所述的一种液态金属复合高分子刷马达的制备方法，其特征在于，步骤二中的模板为多孔阳极氧化铝时，步骤六中的去模板处理溶液为磷酸或氢氧化钠溶液。
9.液态金属复合高分子刷马达的应用，将权利要求1～8任一权利要求制备的液态金属复合高分子刷马达置于流体中施加周期变化磁场，使其作为微纳米马达运动；同时通过对应的外部刺激，调控高分子刷形态，改变液态金属复合高分子刷马达的运动行为。
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