CN108467006A - 微声流驱动的旋转型纳米马达及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微声流驱动的旋转型纳米马达及其工作方法，包含：导向结构、纳米转子、压电换能器、驱动基板及液体媒介；其中，压电换能器激发驱动基板做超声振动，在一定的振动模式下，引起液体媒介在导向结构附近产生局部流动，纳米转子在局部强对流的作用下被吸引至导向结构附近，并做周向旋转。本发明通过超声振动引起液体的流动，在特定的导向结构附近产生局部流场，捕获附近的微小转子，在声学流的作用下产生旋转运动。该作动方式的纳米马达，采用声波振动作为马达的动力源，无需化学燃料，并且对于转子的材料没有特殊的要求，因此具有良好的生物兼容性。

Description

微声流驱动的旋转型纳米马达及其工作方法

技术领域

本发明属于微纳机械动力装置技术领域，尤其指代一种面向生物医学领域的微声流驱动的旋转型纳米马达及其工作方法。

背景技术

纳米马达是在纳米尺度下能够将其他形式的能量（化学能、磁能、静电、光能、热能和声能等）转化为机械能一种微型动力装置。通过研究自然界中微小生命体如昆虫和大肠杆菌等体内蕴含的生物马达，科学家们研制了若干新型人造微尺度马达器件。初步的应用研究表明，人造纳米马达技术在癌症治疗、细胞手术、纳米组装和环境治理等方面有着巨大的应用前景和市场。然而，目前的纳米马达主要采用化学能驱动的方式，结构和能量来源较为简单，在开展面向生物体的相关应用时，尚有一些关键技术问题没有解决，包括控制的精准度、载药能力和续航能力等。因此，开展微声流驱动的纳米马达技术，将有助于提高纳米马达的作动能力和生物兼容性，推动纳米马达技术的应用研究，具有显著的现实意义和实用价值。

检索现有的纳米马达专利发现，中国专利申请号为CN201210056805.9名称为“人造中空微纳米马达及其制备方法”，其公开的是采用聚电解质骨架和催化剂组成的纳米马达具有中空的结构，具有良好的载药能力和作动能力。但是该类型纳米马达采用过氧化氢作为燃料，对于生物组织而言，毒性较高，不利于在生物体内大范围使用。中国专利申请号为CN201510416826.0名称为“双面神结构的光驱动纳米马达”，公开了利用工作物质见光分解反应产生的气体作为推动力，通过部分包覆金属薄膜的两面神结构，实现单方向运动。但是生物体对光线的强阻碍特性限制了该类型纳米马达在生物医学上的应用，同时，工作物质的快速消耗限制了纳米马达的使用寿命。此外，上述两种纳米马达均采用球形结构，并且马达本体悬浮在液体媒介中自由运动，运动方式具有随机性，增加了马达运动姿态的控制难度。因此，合理地设计纳米马达结构，选择生物兼容性高的作动方式，成为提高纳米马达实用性的关键技术。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种微声流驱动的旋转型纳米马达及其工作方法，解决了现有技术中纳米马达运动方式具有随机性，运动姿态控制难度大等问题，本发明通过超声振动引起液体的流动，在特定的导向结构附近产生局部流场，捕获附近的微小转子，在声学流的作用下产生旋转运动。该作动方式的纳米马达，采用声波振动作为马达的动力源，无需化学燃料，并且对于转子的材料没有特殊的要求，因此具有良好的生物兼容性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种微声流驱动的旋转型纳米马达，包含：导向结构、纳米转子、压电换能器、驱动基板及液体媒介；其中，压电换能器激发驱动基板做超声振动，引起液体媒介在导向结构附近产生局部流动，纳米转子在局部强对流的作用下被吸引至导向结构附近，并做周向旋转。

优选地，所述压电换能器由功能材料组成，选用的材料包括磁致伸缩材料和压电陶瓷材料；压电换能器采用层片式或夹心振子结构，以单片形式或多片阵列的形式直接粘贴在驱动基板表面。

优选地，所述纳米转子为球形、管型、线型、棒形、笼形、中空形、介孔形、螺旋形或其他不规则形状的人工合成纳米颗粒，以及上述形式叠加而成的新型结构形式。

优选地，所述纳米转子为自然界中现有的生物颗粒、人工合成的纳米颗粒或不同类型金属的掺杂或是分段式结构。

优选地，所述纳米转子的尺寸为纳米级或微米级；围绕同一导向结构运转的纳米转子数量为至少一个；纳米转子的运转方向为顺时针或逆时针，纳米转子的运行模式为连续旋转或步进旋转。

优选地，所述导向结构的尺度为微米级或纳米级；导向结构的平面构形为圆形、方形、三角形或任意多边形，其三维立体构型为凸台式或凹坑式；导向结构为单一独立结构、若干相同结构的阵列或不同结构的排列组合。

优选地，驱动基板为硅基板或玻璃板，通过微加工的方式，在其表面构筑具有微纳尺度的导向结构。

优选地，当纳米转子绕自身的中心轴旋转时，旋转轴平行于驱动基板平面，或垂直于驱动基板平面；当纳米转子绕导向结构公转时，旋转轴位于导向结构的中心位置且垂直于驱动基板平面；纳米转子的自转与公转同时进行，即在自转的同时围绕导向结构公转。

本发明的一种纳米马达的工作方法，基于上述纳米马达，利用驱动基板在超声振动下引起的局部强对流驱动微纳转子输出旋转运动，包括步骤如下：

压电换能器激发驱动基板做超声振动，引起液体媒介在导向结构附近形成局部的具有特定方向的流场，纳米转子运动至导向结构附近时，先被捕获，然后围绕导向结构做高速旋转运动，驱动基板处于共振状态，所引起的局部强对流能够捕获纳米转子并驱动其高速运转。

本发明的有益效果：

1、本发明的纳米马达的动力来自于声波振动引起的液体流动，因此，利用外加声场实现微纳机械在液体环境中的主动运动，是一种绿色无污染的作动方式，无需提供任何化学燃料，特别适用于高离子浓度和高粘滞性的生物体液环境，如胃肠液、血液和组织液等。

2、在声场的作用下，纳米转子被导向结构吸引并在其周围输出旋转运动，有效地抑制了三维空间内的布朗运动，具有运行平稳和可控性高的特点。与化学能驱动型纳米马达不同，微声流驱动的纳米马达无需通过磁场的控制，可直接输出旋转运动，并且可以通过改变超声控制的参数，如激励频率和工作电压等，改变马达的转动方向和速度，具有驱动效率高和工作寿命长的特点。

3、用于引导纳米转子运动的导向结构采用光刻技术加工，具有精准度高、加工便捷和结构稳定的特点，并且可以根据转子和工作模式的要求，开展定制化设计。

4、基于超声驱动的特点，对于用作纳米马达转子的材料没有特殊的需求，因此人工合成的纳米颗粒或者自然界中的微生命体，均可用作转子的基体，并且通过一定的表面修饰或者组装，可以实现特殊的应用，如微型搅拌器、药物释放器和细胞分选器等等。

附图说明

图1a为具有特定方向流场的导向结构示意图；

图1b为导向结构附近的微声流分布图；

图1c纳米马达的结构原理图；

图2为纳米马达的公转工作模式示意图；

图3a为安置在导向结构侧面的纳米马达绕x轴自转示意图；

图3b为安置在导向结构侧面的纳米马达绕y轴自转示意图；

图3c为安置在导向结构侧面的纳米马达绕z轴自转示意图；

图3d为安置在导向结构顶面的纳米马达绕z轴自转示意图；

图4为纳米马达的混合工作模式示意图；

图5为双转子式纳米马达结构视图；

图6为阵列式微尺度导向结构图；

图7为下沉式微尺度导向结构图；

图中：1为导向结构；2为纳米转子；3为压电换能器；4为驱动基板；5为液体媒介；6为公转轨迹；7为公转轴；8为第一自转轨迹；9为第一自转轴；10为第二自转轨迹；11为第二自转轴；12为第三自转轨迹；13为第三自转轴；14为阵列式微尺度导向结构；15为双转子式纳米马达；16为下沉式微尺度导向结构。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1a至图1c所示，本发明的一种微声流驱动的旋转型纳米马达，工作原理如下：超声振动引起液体媒介在微尺度导向结构1（即导向结构）附近形成局部的具有特定方向的流场，如图1a中箭头所示。悬浮于液体媒介5中的纳米转子2在声学引起的微流场作用下，克服布朗运动，逐渐靠近微尺度导向结构1。由于微流场在空间分布的不均匀性，微尺度导向结构1附近的液体流动最强，因此，纳米马达运动至微尺度导向结构1附近时，先被捕获，然后围绕导向结构做高速旋转运动，其运行轨迹如图1b所示。

如图1a至图1c、图2所示，示例中，本发明的微声流驱动的旋转型纳米马达包含微尺度导向结构1、纳米转子2、压电换能器3、驱动基板4和液体媒介5。其中，采用锆钛酸铅材质的压电陶瓷圆片作为压电换能器3，直径20mm，厚度0.5mm，粘贴在驱动基板4的一端，用于将电能转化为机械能。驱动基板4采用高透光的玻璃基板，长度50mm，宽度20mm，厚1mm，其另一端固定有微尺度导向结构1。微尺度导向结构1为圆台式构型，直径20μm，高度5μm，采用光敏胶作为基材，由光刻微加工的方式加工而成，再利用磁控溅射形成一层50nm厚的二氧化硅保护层。液体媒介5采用5μL去离子水，通过微流道引导至微尺度导向结构1周围，其形状和大小受微流道的几何构型控制。采用直径500nm的聚苯乙烯微球作为纳米转子2，通过微流道引入液体媒介5，悬浮在微尺度导向结构1的周围。

图2所示为纳米马达的公转工作模式。当在压电换能器3上施加频率500kHz和幅值5V的高频正弦交流信号时，驱动基板4处于共振状态，振动传递至微尺度导向结构1得到进一步放大，从而引起周围液体媒介5较强的顺时针涡流运动，该流动能够捕获纳米转子2并驱动其以公转轴7为中心沿公转轨迹6高速运转，运转速度为200转/分钟。

旋转型纳米马达除了能够输出公转运行模式外，也具有绕自身轴旋转的自转工作模式，如图3a至图3d所示。当调节压电换能器3上施加的电压信号频率时，纳米转子2将贴在微尺度导向结构1的一侧，并绕自身的中心轴做自转运动，按照旋转轴的位置不同又可细分为：（1）平行于x轴，绕第一自转轴9沿着第一自转轨迹8高速旋转，如图3a所示；（2）平行于y轴，绕第二自转轴11沿着第二自转轨迹10高速旋转，如图3b所示；（3）平行于z轴，绕第三自转轴13沿着第三自转轨迹12高速旋转，如图3c所示。此外，当驱动电压增大后，纳米马达将在强对流场的作用下，运动至导向结构的顶部，绕平行于z轴的第三自转轴13做高速旋转，其运转轨迹如图3d中的第三自转轨迹12所示。

由于导向结构周围微声流的多样性，旋转型纳米马达的自转模式和公转模式并不是相对独立的，某些情况下可以同时发生，如图4所示。当纳米转子在绕第一自转轴9沿着第一自转轨迹8做高速旋转时，纳米转子本身又以导向结构的公转轴7为轴心做公转运动，其运行轨迹如图4中的公转轨迹6所示。

微声流的驱动力均匀分布在导向结构周围，因此导向结构的变化以及纳米转子数量的变化将衍生出多种类型的旋转型纳米马达组成结构。如图5所示的双转子式纳米马达15，两个纳米转子可以同时在一个导向结构周围输出旋转运动，二者的运行轨迹相对独立，互不影响。图6所示的阵列式微尺度导向结构14在保持纳米转子输出公转模式的旋转运动的同时，基于其阵列式的布局，有效地扩大了纳米转子的公转半径。

微尺度导向结构除了采用上述凸台式构型，还可以采用下沉式微尺度导向结构16，进而提升对纳米转子的约束力，其结构形式如图7所示。

本发明的一种纳米马达的工作方法，利用驱动基板在超声振动下引起的局部强对流驱动微纳转子输出旋转运动，包括步骤如下：

压电换能器激发驱动基板做超声振动，引起液体媒介在微尺度导向结构附近形成局部的具有特定方向的流场，纳米转子运动至微尺度导向结构附近时，先被捕获，然后围绕导向结构做高速旋转运动。例如，在压电换能器3上施加频率500kHz和幅值5V的高频正弦交流信号时，驱动基板4处于共振状态，所引起的局部强对流能够捕获纳米转子2并驱动其高速运转，运转速度为200转/分钟。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微声流驱动的旋转型纳米马达，其特征在于，包含：导向结构（1）、纳米转子（2）、压电换能器（3）、驱动基板（4）及液体媒介（5）；其中，压电换能器（3）激发驱动基板（4）做超声振动，引起液体媒介（5）在导向结构（1）附近产生局部流动，纳米转子（2）在局部强对流的作用下被吸引至导向结构（1）附近，并做周向旋转。

2.根据权利要求1所述的微声流驱动的旋转型纳米马达，其特征在于，所述压电换能器（3）由功能材料组成，选用的材料包括磁致伸缩材料和压电陶瓷材料；压电换能器（3）采用层片式或夹心振子结构，以单片形式或多片阵列的形式直接粘贴在驱动基板（4）表面。

3.根据权利要求1所述的微声流驱动的旋转型纳米马达，其特征在于，所述纳米转子（2）为球形、管型、线型、棒形、笼形、中空形、介孔形、螺旋形或其他不规则形状的人工合成纳米颗粒，以及上述形式叠加而成的新型结构形式。

4.根据权利要求1所述的微声流驱动的旋转型纳米马达，其特征在于，所述纳米转子（2）为自然界中现有的生物颗粒、人工合成的纳米颗粒或不同类型金属的掺杂或是分段式结构。

5.根据权利要求1所述的微声流驱动的旋转型纳米马达，其特征在于，所述纳米转子（2）的尺寸为纳米级或微米级；围绕同一导向结构（1）运转的纳米转子数量为至少一个；纳米转子的运转方向为顺时针或逆时针，纳米转子的运行模式为连续旋转或步进旋转。

6.根据权利要求1所述的微声流驱动的旋转型纳米马达，其特征在于，所述导向结构（1）的尺度为微米级或纳米级；导向结构（1）的平面构形为圆形、方形、三角形或任意多边形，其三维立体构型为凸台式或凹坑式；导向结构（1）为单一独立结构或、若干相同结构的阵列或不同结构的排列组合。

7.根据权利要求1所述的微声流驱动的旋转型纳米马达，其特征在于，驱动基板（4）为硅基板或玻璃板，通过微加工的方式，在其表面构筑具有微纳尺度的导向结构。

8.根据权利要求1所述的微声流驱动的旋转型纳米马达，其特征在于，当纳米转子（2）绕自身的中心轴旋转时，旋转轴平行于驱动基板（4）平面，或垂直于驱动基板（4）平面；当纳米转子（2）绕导向结构（1）公转时，旋转轴位于导向结构（1）的中心位置且垂直于驱动基板（4）平面；纳米转子（2）的自转与公转同时进行，即在自转的同时围绕导向结构（1）公转。

9.一种纳米马达的工作方法，基于上述权利要求1-8中任意一项的纳米马达，其特征在于，利用驱动基板在超声振动下引起的局部强对流驱动微纳转子输出旋转运动，包括步骤如下：

压电换能器激发驱动基板做超声振动，引起液体媒介在导向结构附近形成局部的具有特定方向的流场，纳米转子运动至导向结构附近时，先被捕获，然后围绕导向结构做高速旋转运动，驱动基板处于共振状态，所引起的局部强对流能够捕获纳米转子并驱动其高速运转。