CN108483393A - 纳米胶体马达及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米胶体马达及其制备方法。马达为开口状球形铂壳的壳直径≤500nm、壳厚为5‑30nm，壳外覆有厚5‑20nm的银壳或金壳；方法为先将胶体球置于基底上形成单层密排胶体晶体模板后对其加热，得到胶体球与基底固接的单层密排胶体晶体模板，再对其进行等离子体刻蚀，得到胶体球与基底固接的单层非密排胶体晶体模板，接着，先于单层非密排胶体晶体模板上依次蒸镀铂层、银层或金层，再使用物理的方法将单层非密排胶体晶体模板上的表面依次覆有铂壳、银壳或金壳的胶体球与基底分离后，置于溶剂或煅烧中去除胶体球，制得目的产物。它的尺寸小、运动方向单一且空心，可极易于广泛地商业化应用于药物靶向运动、物质输运、离子检测、污水治理等领域。

Description

纳米胶体马达及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种胶体马达及制备方法，尤其是一种纳米胶体马达及其制备方法。
背景技术
胶体马达是一类能将周围环境中的能量——化学能、电磁能、热能、声能等转化为自身运动的活性胶体颗粒，其常见形态有阴阳型(Janus)球形粒子、纳米管、纳米线以及纳米棒等，驱动能量的来源有化学驱动和非化学驱动两类。经过近十年的探索，胶体马达在药物靶向运动、物质输运、离子检测、污水治理等方面得到了应用。近期，人们为了获得胶体马达，作了一些有益的尝试和努力，如题为“Non-Gaussian statistics for the motion ofself-propelled Janus particles:experiment versus theory”，Physical Review EStatistical Nonlinear&Soft Matter Physics，2013，88(3):032304.(“自驱动Janus颗粒运动的非高斯统计实验与理论研究”，《物理评论E-统计非线性及软材料物理》2013年第88卷第3期)的文章。该文中提及的胶体马达——自驱动Janus颗粒为SiO2微球的上半表面覆有铂膜；其制备方法为先将涂敷在硅片上的SiO2微球的水溶液加热烘干，得到在硅片表面形成紧密排布的SiO2单层微球，再利用电子束蒸发镀膜工艺在SiO2微球的上半表面蒸镀约7nm厚的铂膜，获得Janus不对称结构的产物。这种产物虽可用作胶体马达，却和其制备方法都存在着不足之处，首先，由于SiO2微球的直径高达2μm，致使产物的尺寸较大，制约了应用的场合；其次，暴露在外表面的铂膜使催化过氧化氢生成的气泡较分散，导致马达受力不均匀而使其运动较复杂；再次，SiO2微球的存在限制了马达的应用；最后，制备方法不能获得尺寸小、运动方向单一和空心结构的产物。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种尺寸小、运动方向单一且空心的纳米胶体马达。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述纳米胶体马达的制备方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为，纳米胶体马达包括开口状球形铂壳，特别是：
所述开口状球形铂壳的壳直径≤500nm；
所述开口状球形铂壳的壳厚为5-30nm；
所述壳厚为5-30nm的开口状球形铂壳的壳外覆有银壳或金壳；
所述银壳或金壳的壳厚为5-20nm。
作为纳米胶体马达的进一步改进：
优选地，银壳外覆有金壳，或金壳外覆有银壳。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为，上述纳米胶体马达的制备方法包括模板法，特别是完成步骤如下：
步骤1，先将球直径为50-500nm的胶体球置于基底上形成单层密排胶体晶体模板，再将单层密排胶体晶体模板置于70-90℃下至少8min，得到胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板；
步骤2，先对胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板进行等离子体刻蚀至少20min，得到胶体球与基底固定连接的单层非密排胶体晶体模板，再于单层非密排胶体晶体模板上依次蒸镀铂层、银层或金层，得到其上的胶体球的表面依次覆有铂壳、银壳或金壳的单层非密排胶体晶体模板；
步骤3，先使用物理的方法将单层非密排胶体晶体模板上的表面依次覆有铂壳、银壳或金壳的胶体球与基底分离，再将表面依次覆有铂壳、银壳或金壳的胶体球置于溶剂或煅烧中去除胶体球，制得纳米胶体马达。
作为纳米胶体马达的制备方法的进一步改进：
优选地，胶体球为聚苯乙烯胶体球，或聚氯乙烯胶体球，或二氧化硅胶体球。
优选地，基底为导体基底，或半导体基底，或绝缘体基底。
优选地，蒸镀为磁控溅射，或电子束蒸发，或电沉积，或化学气相沉积。
优选地，物理方法分离为刀片刮下分离，或胶带粘下分离。
优选地，溶剂为二氯甲烷，或氢氟酸。
相对于现有技术的有益效果是：
其一，对制得的目的产物分别使用扫描电镜和透射电镜进行表征，并结合制备方法可知，目的产物为分散性很好的、由两层以上不同材质分层包覆组成的、其上留有开口的空心球壳；其中，空心球壳的外壳直径≤500nm、内层壳厚为5-30nm、外层壳厚为5-20nm。内层壳的成分为铂、外层壳的成分为银或金。这种由开口状球形铂壳的壳外覆有银壳或金壳组装成的目的产物，既由于其外壳的直径≤500nm，又因铂壳催化过氧化氢生成气泡的特质，还由于球形铂壳外覆有银壳或金壳而使铂壳的特质只能于铂壳内发挥，更因球形铂壳为开口状，从而使由铂壳特质生成的气泡只能由开口处集中喷发而出，使其尤适于药物的靶向运动和物质的输运。
其二，制备方法科学、有效。不仅制得了尺寸小、运动方向单一且空心的目的产物——纳米胶体马达，还使其具有了生成的气泡定向喷发的性能，进而使目的产物极易于广泛地商业化应用于药物靶向运动、物质输运、离子检测、污水治理等领域。
附图说明
图1是对制备方法制得的目的产物使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果之一。SEM图像表明目的产物为分散性很好的球状物。
图2是对图1所示的目的产物中的单体使用高倍率透射电镜(TEM)进行表征的结果之一。TEM图像显示出单个目的产物为开口状的多层空心球形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
首先从市场购得或自行制得：
商业化单分散的直径为50-500nm的聚苯乙烯胶体球、聚氯乙烯胶体球和二氧化硅胶体球；
作为基底的导体基底、半导体基底和绝缘体基底；
作为溶剂的二氯甲烷和氢氟酸。
接着：
实施例1
制备的具体步骤为：
步骤1，先将球直径为50nm的胶体球置于基底上形成单层密排胶体晶体模板；其中，胶体球为聚苯乙烯胶体球，基底为半导体基底中的硅片。再将单层密排胶体晶体模板置于70℃下12min，得到胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板。
步骤2，先对胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板进行等离子体刻蚀20min，得到胶体球与基底固定连接的单层非密排胶体晶体模板。再于单层非密排胶体晶体模板上依次蒸镀5nm厚的铂层、20nm厚的银层(或金层)；其中，蒸镀为磁控溅射，得到其上的胶体球的表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的单层非密排胶体晶体模板。
步骤3，先使用物理的方法将单层非密排胶体晶体模板上的表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的胶体球与基底分离；其中，物理方法分离为刀片刮下分离(或胶带粘下分离)。再将表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的胶体球置于溶剂(或煅烧)中去除胶体球；其中，溶剂为二氯甲烷。制得近似于图1和图2所示的纳米胶体马达。
实施例2
制备的具体步骤为：
步骤1，先将球直径为163nm的胶体球置于基底上形成单层密排胶体晶体模板；其中，胶体球为聚苯乙烯胶体球，基底为半导体基底中的硅片。再将单层密排胶体晶体模板置于75℃下11min，得到胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板。
步骤2，先对胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板进行等离子体刻蚀25min，得到胶体球与基底固定连接的单层非密排胶体晶体模板。再于单层非密排胶体晶体模板上依次蒸镀11nm厚的铂层、16nm厚的银层(或金层)；其中，蒸镀为磁控溅射，得到其上的胶体球的表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的单层非密排胶体晶体模板。
步骤3，先使用物理的方法将单层非密排胶体晶体模板上的表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的胶体球与基底分离；其中，物理方法分离为刀片刮下分离(或胶带粘下分离)。再将表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的胶体球置于溶剂(或煅烧)中去除胶体球；其中，溶剂为二氯甲烷。制得近似于图1和图2所示的纳米胶体马达。
实施例3
制备的具体步骤为：
步骤1，先将球直径为275nm的胶体球置于基底上形成单层密排胶体晶体模板；其中，胶体球为聚苯乙烯胶体球，基底为半导体基底中的硅片。再将单层密排胶体晶体模板置于80℃下10min，得到胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板。
步骤2，先对胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板进行等离子体刻蚀30min，得到胶体球与基底固定连接的单层非密排胶体晶体模板。再于单层非密排胶体晶体模板上依次蒸镀18nm厚的铂层、12nm厚的银层(或金层)；其中，蒸镀为磁控溅射，得到其上的胶体球的表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的单层非密排胶体晶体模板。
步骤3，先使用物理的方法将单层非密排胶体晶体模板上的表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的胶体球与基底分离；其中，物理方法分离为刀片刮下分离(或胶带粘下分离)。再将表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的胶体球置于溶剂(或煅烧)中去除胶体球；其中，溶剂为二氯甲烷。制得近似于图1和图2所示的纳米胶体马达。
实施例4
制备的具体步骤为：
步骤1，先将球直径为388nm的胶体球置于基底上形成单层密排胶体晶体模板；其中，胶体球为聚苯乙烯胶体球，基底为半导体基底中的硅片。再将单层密排胶体晶体模板置于85℃下9min，得到胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板。
步骤2，先对胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板进行等离子体刻蚀35min，得到胶体球与基底固定连接的单层非密排胶体晶体模板。再于单层非密排胶体晶体模板上依次蒸镀24nm厚的铂层、8nm厚的银层(或金层)；其中，蒸镀为磁控溅射，得到其上的胶体球的表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的单层非密排胶体晶体模板。
步骤3，先使用物理的方法将单层非密排胶体晶体模板上的表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的胶体球与基底分离；其中，物理方法分离为刀片刮下分离(或胶带粘下分离)。再将表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的胶体球置于溶剂(或煅烧)中去除胶体球；其中，溶剂为二氯甲烷。制得如图1和图2所示的纳米胶体马达。
实施例5
制备的具体步骤为：
步骤1，先将球直径为500nm的胶体球置于基底上形成单层密排胶体晶体模板；其中，胶体球为聚苯乙烯胶体球，基底为半导体基底中的硅片。再将单层密排胶体晶体模板置于90℃下8min，得到胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板。
步骤2，先对胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板进行等离子体刻蚀40min，得到胶体球与基底固定连接的单层非密排胶体晶体模板。再于单层非密排胶体晶体模板上依次蒸镀30nm厚的铂层、5nm厚的银层(或金层)；其中，蒸镀为磁控溅射，得到其上的胶体球的表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的单层非密排胶体晶体模板。
步骤3，先使用物理的方法将单层非密排胶体晶体模板上的表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的胶体球与基底分离；其中，物理方法分离为刀片刮下分离(或胶带粘下分离)。再将表面依次覆有铂壳、银壳(或金壳)的胶体球置于溶剂(或煅烧)中去除胶体球；其中，溶剂为二氯甲烷。制得近似于图1和图2所示的纳米胶体马达。
再分别选用作为胶体球的聚苯乙烯胶体球或聚氯乙烯胶体球或二氧化硅胶体球，作为基底的导体基底或半导体基底或绝缘体基底，作为溶剂的二氯甲烷或氢氟酸，以及蒸镀为磁控溅射或电子束蒸发或电沉积或化学气相沉积，重复上述实施例1-5，同样制得了如或近似于图1和图2所示的纳米胶体马达。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的纳米胶体马达及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种纳米胶体马达，包括开口状球形铂壳，其特征在于：
所述开口状球形铂壳的壳直径≤500nm；
所述开口状球形铂壳的壳厚为5-30nm；
所述壳厚为5-30nm的开口状球形铂壳的壳外覆有银壳或金壳；
所述银壳或金壳的壳厚为5-20nm。
2.根据权利要求1所述的纳米胶体马达，其特征是银壳外覆有金壳，或金壳外覆有银壳。
3.一种权利要求1所述纳米胶体马达的制备方法，包括模板法，其特征在于完成步骤如下：
步骤1，先将球直径为50-500nm的胶体球置于基底上形成单层密排胶体晶体模板，再将单层密排胶体晶体模板置于70-90℃下至少8min，得到胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板；
步骤2，先对胶体球与基底固定连接的单层密排胶体晶体模板进行等离子体刻蚀至少20min，得到胶体球与基底固定连接的单层非密排胶体晶体模板，再于单层非密排胶体晶体模板上依次蒸镀铂层、银层或金层，得到其上的胶体球的表面依次覆有铂壳、银壳或金壳的单层非密排胶体晶体模板；
步骤3，先使用物理的方法将单层非密排胶体晶体模板上的表面依次覆有铂壳、银壳或金壳的胶体球与基底分离，再将表面依次覆有铂壳、银壳或金壳的胶体球置于溶剂或煅烧中去除胶体球，制得纳米胶体马达。
4.根据权利要求3所述的纳米胶体马达的制备方法，其特征是胶体球为聚苯乙烯胶体球，或聚氯乙烯胶体球，或二氧化硅胶体球。
5.根据权利要求3所述的纳米胶体马达的制备方法，其特征是基底为导体基底，或半导体基底，或绝缘体基底。
6.根据权利要求3所述的纳米胶体马达的制备方法，其特征是蒸镀为磁控溅射，或电子束蒸发，或电沉积，或化学气相沉积。
7.根据权利要求3所述的纳米胶体马达的制备方法，其特征是物理方法分离为刀片刮下分离，或胶带粘下分离。
8.根据权利要求3所述的纳米胶体马达的制备方法，其特征是溶剂为二氯甲烷，或氢氟酸。
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