CN108233774A - 一种微纳米马达集群的动态控制方法 - Google Patents

一种微纳米马达集群的动态控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108233774A
CN108233774A CN201810031495.2A CN201810031495A CN108233774A CN 108233774 A CN108233774 A CN 108233774A CN 201810031495 A CN201810031495 A CN 201810031495A CN 108233774 A CN108233774 A CN 108233774A
Authority
CN
China
Prior art keywords
micro
nano
cluster
tio
nano motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810031495.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108233774B (zh
Inventor
牟方志
黄真
官建国
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University of Technology WUT
Original Assignee
Wuhan University of Technology WUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University of Technology WUT filed Critical Wuhan University of Technology WUT
Priority to CN201810031495.2A priority Critical patent/CN108233774B/zh
Publication of CN108233774A publication Critical patent/CN108233774A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108233774B publication Critical patent/CN108233774B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N13/00—Clutches or holding devices using electrostatic attraction, e.g. using Johnson-Rahbek effect
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

本发明公开了一种微纳米马达集群的动态控制方法。包括以下步骤：将TiO2微纳米粒子分散于双氧水溶液中，然后置于两块电极基板之间；所述电极基板连接交变电流，在临近电极基板表面处形成TiO2微纳米马达集群，并通过调节交变电流的电压和频率的大小来控制TiO2微纳米马达集群的形态以及大小；通过控制光照的方向和强弱实现TiO2微纳米粒子集群的驱动。本发明克服现有技术对微纳米马达集群控制方法和功能单一、控制集群运动行为存在局限性的问题，提供一种对微纳米马达集群形态的动态可控，且对其运动行为能实现高时空分辨率控制的方法。

Description

一种微纳米马达集群的动态控制方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种微纳米马达集群的动态控制方法。
背景技术
微纳米马达是将其他能量转化为动能，能在液体介质中完成包括药物运输、蛋白质和细胞的分离和环境治理等各种复杂任务在内的微型装置(NanoToday2013,8(5):531-554；ACS Nano 2012,6(7),6122-6132；SoftMatter 2011,7(18),8169-8181)。自2004年开始报道合成微纳米马达以来，微纳米马达在机理研究和发展应用领域已经取得了许多重大进展(J.Am.Chem.Soc.2004,126,13424-13431)。而与生物体的蛋白质组装类似，将简单的个体微纳米马达单元组装成复杂的“集群”结构是实现微纳米马达的多功能应用的必要条件之一(Accounts ofChemicalResearch,2015,48(7):1938)。WentaoDuan就通过加入或除去NH3，利用OH-的扩散泳来控制正磷酸银粒子集群的形成或分散(Dissertations&Theses-Gradworks,2015)；Jing Yan利用介电泳，通过改变施加电场的电压以及频率来控制双面神粒子实现链接或集群等行为(Nature Materials,2016,15(10),1095)。从以上研究可以看出，虽然改变化学信号或电信号等单一变量能实现微纳米马达集群化或改变集群形态，但由于控制方法单一，造成其只能实现集群化或改变集群形态等单一功能。为了改善集群的控制条件，Daniel Ahmed利用磁场将顺磁性粒子组装成集群，再利用超声场使集群沿着边界方向发生滚动来控制其方向(Nature Communications,2017,8(1))，但集群只能沿着边界移动也显示出了其控制的局限性。
发明内容
本发明目的是克服现有对微纳米马达集群控制方法和功能单一、控制集群运动行为存在局限性的问题，提供一种对微纳米马达集群形态的动态可控，且对其运动行为能实现高时空分辨率控制的方法。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种微纳米马达集群的动态控制方法，包括以下步骤：
将TiO2微纳米粒子分散于双氧水溶液中，然后置于两块电极基板之间；
所述电极基板连接交变电流，在临近电极基板表面处形成TiO2微纳米马达集群，并通过调节交变电流的电压和频率的大小来控制TiO2微纳米马达集群的形态以及大小；
通过控制光照的方向和强弱实现TiO2微纳米粒子集群的驱动。
按上述方案，双氧水溶液中3<pH<5.6。
按上述方案，所述的电极基板为阻抗小于6Ω/cm2的固体介质材料。
按上述方案，所述电极基板为ITO玻璃。
按上述方案，所述交变电场电压在1V-15V之间，频率在50Hz-1MHz之间。
按上述方案，通过调节交变电场电压在2V-11.5V范围内增大，实现TiO2微纳米马达集群由小到大的控制。
按上述方案，通过调节交变电场频率在100Hz-5000Hz范围内增大，实现TiO2微纳米马达集群由大到小的控制。
按上述方案，通过2V-11.5V范围内增大电压、5000Hz-100Hz范围内减小频率、500mW-100mW范围内减小光照功率实现TiO2微纳米马达集群紧密程度由松到紧的控制。
按上述方案，通过11.5V-2V范围内减小电压、100Hz-5000Hz范围内增大频率、100mW-500mW范围内增加光照功率实现TiO2微纳米马达集群紧密程度由紧到松的控制。
按上述方案，通过改变光照方向实现对TiO2微纳米粒子集群驱动方向的控制；通过改变光照功率大小实现对TiO2微纳米马达集群速度大小的控制。
本发明能使TiO2微纳米马达形成集群的机理为电动流。在3<PH<5.6的溶液条件下，当施加垂直ITO玻璃表面的交变信号时，TiO2微纳米马达的存在扰动了底部ITO玻璃表面电极附近的局部电场，并且这些扰动在电极极化层上的作用产生了指向每个马达的流体运动。相邻的马达在它们各自的流动中相互夹带，从而形成马达集群。
本发明相对于现有技术有益效果如下：
本发明克服现有技术对微纳米马达集群控制方法和功能单一、控制集群运动行为存在局限性的问题，提供一种对微纳米马达集群形态的动态可控，且对其运动行为能实现高时空分辨率控制的方法。
附图说明
图1：结构装置图；
图2：TiO2微纳米马达的扫描电镜图。
图3：TiO2微纳米马达在紫外光照下的运动轨迹图。
图4：TiO2微纳米马达在交变电压下的聚集轨迹图。
图5：TiO2微纳米马达在交变电压及紫外光照下粒子聚集及分散过程以及粒子数比例随时间的变化曲线图。
图6：电动流机理示意图以及TiO2微米马达分别在H2O2、H2O、Na2CO3环境下交变电压的示意图。
图7：TiO2微纳米马达集群形态大小随电压和频率的改变而变化的示意图和曲线图。
图8：TiO2微纳米马达集群在交变电压和频率不变，紫外光照方向发生改变的移动轨迹图。
图9：TiO2微纳米马达集群在电压和光照条件不变，频率发生改变时的形态变化轨迹图。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。本发明的结构装置如图1所示，在用厚度小于800μm的绝缘层隔开的两块ITO玻璃间输入交变信号，并在玻璃一侧输入与ITO玻璃呈0°-90°夹角的紫外光信号(输出功率100mW<P<1W)，便可得到本发明的控制平台。
将不同的TiO2微纳米马达粒子置于扫描电子显微镜(SEM,S-4800,Hitachi Co.,Ltd.,Japan)下进行显微形貌表征，结果如图2所示。
本发明基于交变电场和光控制TiO2微纳米马达集群运动，其运动控制方法如下：
将由浓度小于5mg/mL的TiO2微纳米马达粒子分散质量分数小于5wt％双氧水燃料中，输入功率低于500mW/cm2的紫外光信号，便可得到TiO2微纳米马达粒子的运动轨迹图，如图3所示，其平均运动速度约为4μm/s-11.17μm/s。
将由TiO2微纳米粒子配置浓度低于0.5mg/mL并分散至质量分数小于5wt.％双氧水燃料中，输入电压U>2V，频率50Hz<f<5000Hz，便可使TiO2微纳米马达形成集群，形成集群所需时间大约为5s，过程如图4所示。
将TiO2微纳米粒子配置浓度低于0.5mg/mL并分散至质量分数小于5wt.％双氧水燃料中，先输入电压U>2V，频率50Hz<f<5000Hz，使TiO2微纳米马达形成集群，此时再输入角度介于0°-90°，功率低于500mW/cm2的紫外光信号，然后再同时取消光、电信号的输入，让TiO2微纳米马达粒子在无信号的情况下作布朗运动，直至TiO2微纳米粒子分布恢复原状。便可得到TiO2微纳米马达粒子聚集及分散过程以及粒子数比例(初始时刻的粒子数N0与任意时刻的粒子数NX之比)随时间的变化曲线图，如图5所示。从图中可以看出，光、电信号的输入不仅能控制TiO2微纳米马达集群，而且在光、电信号撤销后其TiO2微纳米马达粒子能恢复到输入信号前的状态，证明此控制方法可实现微纳米马达循环可逆的多次利用，大大节约了加工成本。
本发明能使TiO2微纳米马达形成集群的机理为电动流，具体表述为：在3<PH<5.6的溶液条件下，当施加交变电场时，TiO2微纳米马达的存在扰动了底部ITO玻璃表面电极附近的局部电场，并且这些扰动在电极极化层上的作用产生了指向每个马达的流体运动。相邻的马达在它们各自的流动中相互夹带，从而形成马达集群。引入电动流公式：
其中
KE…………粒子在每平方单位的聚集比率
a…………粒子半径
ε…………流体的介电常数
εo…………绝对介电常数
μ…………流体剪切粘度
κ-1…………德拜长度
Δφ…………输入电势
2h…………两个电极间的间距
C′o…………粒子极化常数a
D…………粒子扩散常数
ω…………输入电信号的角频率
C″o…………粒子极化常数b
从以上公式可以看出粒子在每平方单位的聚集比率(粒子的聚集大小)与输入电场(Δφ/2h)^2成正比，与施加频率ω/2π成反比。
而将马达置于碱性环境中，再通入的交变电流时由于同性粒子间的极化作用使得粒子发生相互排斥的行为，如图6所示。为了验证其机理为电动流，先将TiO2微纳米马达粒子分别置于的浓度低于1mM的H2O2、H2O以及Na2CO3溶液中，在输入交变信号，如图6所示。可以看到，TiO2微纳米马达粒子在H2O2表现为聚集，而在H2O和Na2CO3都表现为极化子间的相互排斥，即证明了此机理为电动流。
将TiO2微纳米粒子配置浓度低于0.5mg/mL并分散至质量分数小于5wt.％双氧水燃料中，分别输入电压2V-11.5V，频率为100Hz至5000Hz的电信号，在每个信号下各保持1min的通电时间，得到如图7所示的结果图。从图中可以看出，TiO2微纳米马达集群大小在2V-11.5V间随电压的增大而增大；在100Hz-5000Hz间随频率的增大而减小。在低压高频的条件下，由于电动流的作用太小，使TiO2微纳米马达无法形成集群；在高压低频的条件下，由于电动流的流体扰动作用太强，电流对流体的扰动远远大于粒子周围的电动流，也无法形成集群。因此控制电压和频率参数来控制TiO2微纳米马达集群的大小是本实验的关键因素之一。
对TiO2微纳米马达集群实现高时空分辨率的控制：
将TiO2微纳米粒子配置浓度低于0.5mg/mL并分散至质量分数小于5wt.％双氧水燃料中，施加角度介于0°-90°，功率介于100mW-1W的紫外光信号。先施加如图8所示交变信号使TiO2微纳米马达形成集群，再分别施加方向不同的光照1-光照2-光照1&光照2，可以看到TiO2微纳米马达集群分别沿着光照1、光照2、光照1&2的逆光方向运动，其运动速度约为2.60μm/s-3.21μm/s，如图8所示，此方法可实现微纳米马达的精确导航。
将TiO2微纳米粒子配置浓度低于0.5mg/mL并分散至质量分数小于5wt.％双氧水燃料中，施加角度介于0°-90°，功率介于100mW-1W的紫外光信号，先施加如图8所示交变信号使TiO2微纳米马达形成集群，再输入光信号使集群实现精确导航，接着在100Hz-5000Hz间调节频率，便能使TiO2微纳米马达集群完成形态的动态变化，如图9所示。可以看到TiO2微纳米马达集群在移动的过程中可以实现由较小的“紧密”集群到较大的“松散”集群再到较小的“紧密”集群的可逆的动态转变过程，可以实现让微纳米马达集群以不同的形态行进，再通过控制紫外光照条件，便可实现微纳米马达集群的高时空分辨率控制。

Claims (10)

1.一种微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于包括以下步骤：
将TiO2微纳米粒子分散于双氧水溶液中，然后置于两块电极基板之间；
所述电极基板连接交变电流，在临近电极基板表面处形成TiO2微纳米马达集群，并通过调节交变电流的电压和频率的大小来控制TiO2微纳米马达集群的形态以及大小；
通过控制光照的方向和强弱实现TiO2微纳米粒子集群的驱动。
2.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于双氧水溶液中溶液3<pH<5.6。
3.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于所所述的电极基板为阻抗小于6Ω/cm2的固体介质材料。
4.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于所述电极基板为ITO玻璃。
5.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于所述交变电场电压在1V-15V之间，频率在50Hz-1MHz之间。
6.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于通过调节交变电场电压在2V-11.5V范围内增大，实现TiO2微纳米马达集群由小到大的控制。
7.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于通过调节交变电场频率在100Hz-5000Hz范围内增大，实现TiO2微纳米马达集群由大到小的控制。
8.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于通过2V-11.5V范围内增大电压、5000Hz-100Hz范围内减小频率、500mW-100mW范围内减小光照功率实现TiO2微纳米马达集群紧密程度由松到紧的控制。
9.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于通过11.5V-2V范围内减小电压、100Hz-5000Hz范围内增大频率、100mW-500mW范围内增加光照功率实现TiO2微纳米马达集群紧密程度由紧到松的控制。
10.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于通过改变光照方向实现对TiO2微纳米粒子集群驱动方向的控制；通过改变光照功率大小实现对TiO2微纳米马达集群速度大小的控制。
CN201810031495.2A 2018-01-12 2018-01-12 一种微纳米马达集群的动态控制方法 Active CN108233774B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810031495.2A CN108233774B (zh) 2018-01-12 2018-01-12 一种微纳米马达集群的动态控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810031495.2A CN108233774B (zh) 2018-01-12 2018-01-12 一种微纳米马达集群的动态控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108233774A true CN108233774A (zh) 2018-06-29
CN108233774B CN108233774B (zh) 2019-08-27

Family

ID=62641753

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810031495.2A Active CN108233774B (zh) 2018-01-12 2018-01-12 一种微纳米马达集群的动态控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108233774B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110270978A (zh) * 2019-07-15 2019-09-24 哈尔滨工业大学 一种多物理能场耦合作用下微纳机器人操控平台系统
CN110426325A (zh) * 2019-07-31 2019-11-08 武汉理工大学 利用微纳米马达集群搬运惰性粒子的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050266416A1 (en) * 2002-09-18 2005-12-01 Purdue Research Foundation Molecular nanomotor
US20120211467A1 (en) * 2009-08-25 2012-08-23 The Regents Of The University Of California Nanomotor-based patterning of surface microstructures
CN105041593A (zh) * 2015-07-15 2015-11-11 武汉理工大学 双面神结构的光驱动纳米马达
CN106756813A (zh) * 2016-12-18 2017-05-31 江苏师范大学 一种微纳米马达及其制备方法
US20170175720A1 (en) * 2015-12-16 2017-06-22 The University Of Hong Kong Nanomotor Propulsion

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050266416A1 (en) * 2002-09-18 2005-12-01 Purdue Research Foundation Molecular nanomotor
US20120211467A1 (en) * 2009-08-25 2012-08-23 The Regents Of The University Of California Nanomotor-based patterning of surface microstructures
CN105041593A (zh) * 2015-07-15 2015-11-11 武汉理工大学 双面神结构的光驱动纳米马达
US20170175720A1 (en) * 2015-12-16 2017-06-22 The University Of Hong Kong Nanomotor Propulsion
CN106756813A (zh) * 2016-12-18 2017-05-31 江苏师范大学 一种微纳米马达及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JING YAN ET AL.: "Reconfiguring active particles by electrostatic imbalance", 《NATURE MATERIALS》 *
孔磊 等.: "自驱动微纳米马达的设计原理与结构简化方法", 《科学通报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110270978A (zh) * 2019-07-15 2019-09-24 哈尔滨工业大学 一种多物理能场耦合作用下微纳机器人操控平台系统
CN110426325A (zh) * 2019-07-31 2019-11-08 武汉理工大学 利用微纳米马达集群搬运惰性粒子的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108233774B (zh) 2019-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ammam Electrophoretic deposition under modulated electric fields: a review
Wu et al. Dielectrophoretic capture voltage spectrum for measurement of dielectric properties and separation of cancer cells
CN108233774B (zh) 一种微纳米马达集群的动态控制方法
US20170066945A1 (en) Conductive adhesive composition, method for producing the same, sealant and display panel
Kwon et al. Electrospun CuS/PVP nanowires and superior near-infrared filtration efficiency for thermal shielding applications
CN104140927A (zh) 一种细胞位姿调节芯片、装置和方法
Che et al. Light-programmable assemblies of isotropic micromotors
Xianxue et al. Study on properties of conductive adhesive prepared with silver nanoparticles modified by silane coupling agent
CN101613872B (zh) 具有电润湿特性的超疏水表面制备方法
TW201002427A (en) Electrostatic coating apparatus
Shen et al. Analytical model for the transient permittivity of uncured TiO2 whisker/liquid silicone rubber composites under an AC electric field
CN108856728B (zh) 尺寸可调的超细银纳米线的水相制备方法及其应用
Kishor Kumar et al. Interface dominated dielectric response of PS-Fe3O4 patchy microspheres
CN113861836A (zh) 一种具有多尺度结构的柔性超疏水薄膜可控制备方法
Abdulhameed et al. Simulation and experimental validation of the interplay between dielectrophoretic and electroosmotic behavior of conductive and insulator particles for nanofabrication and lab-on-chip applications
Navidirad et al. Effect of polyethylenimine on electrophoretic deposition of TiO 2 nanoparticles in alternating current electric field
Ghashghaie et al. Low‐frequency electrophoretic deposition of ZnO nanoparticles: effect of organic medium on deposition pattern
Morganti et al. A dielectrophoresis-based microdevice coated with nanostructured TiO 2 for separation of particles and cells
CN204039383U (zh) 一种细胞位姿调节芯片和装置
Qiu et al. Weak electrostatic interaction enabled highly oriented assembly of gold nanorods onto ultrathin flagella bionanofibers
CN103966594A (zh) 一种金表面聚苯胺/磺化石墨烯复合薄膜的制备方法
US20210235585A1 (en) Process of fabricating a beaded path on the surface of a substrate, a system for fabricating such a path, use thereof, and a kit
Snoswell et al. pH‐Responsive Microrods Produced by Electric‐Field‐Induced Aggregation of Colloidal Particles
CN104851523B (zh) 一种柔性透明导电膜制作方法及柔性透明导电膜
Chen et al. Directed transport and location-designated rotation of nanowires using ac electric fields

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant