CN115121485A - 一种利用螺旋形障碍物分离活性粒子的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用螺旋形障碍物分离活性粒子的方法。本发明方法是将分离装置置于电磁振动台上，通过振动实现两种手征活性粒子的分离。分离装置包括底板，底板上中心表面设置有螺旋线形分离凸起，分离凸起外围设置有闭合环形的限制凸起，限制凸起围合成分离空间。将具有相反手性的两种手征活性粒子任意置于底板上的分离空间内，启动电磁振动台，位于分离凸起内的一种手性的手征活性粒子通过分离凸起的开口逃离分离凸起围合的空间，位于分离凸起起外的另一种手性的手征活性粒子通过分离凸起的开口进入分离凸起围合的空间，即两种手征活性粒子分别位于分离凸起围合的空间外和内。本发明方法分离手性相反的手征活性粒子速度快、效果好。

Description

一种利用螺旋形障碍物分离活性粒子的方法
技术领域
本发明属于柔性电子技术领域，具体涉及一种利用螺旋形障碍物分离活性粒子的方法。
背景技术
活性粒子可以将环境中的能量转换为自推进力，并在热波动中做随机运动。当驱动力的方向与推进方向不同时，活性粒子会产生一个力矩并且可以在二维空间中做圆周运动，这被称作手征活性粒子。手征活性粒子可以从许多活性系统中找到，如细菌、生物大分子、人工微泳器等。Scholz和他的同事展示了在振动台上顺时针和逆时针旋转的3D打印机器人，这也可以看作是一个由手征活性粒子组成的系统[C.Scholz,M.Engel,and T.
Figure BDA0003717846840000011
Nat.Commun.9,931(2018).]。
处理包括手征活性粒子在内的混合物是分离技术的一个主要问题。根据活性粒子的手性进行分类，对于通常只需要一种特定手性物质的生化行业和制药工业具有十分重要的意义。手征活性粒子的分离已成为研究的焦点。手征活性粒子的分类方法有很多，其中之一是利用手征活性粒子与障碍物相互作用从而产生自发分离。例如，Mijalkov和Volpe证明了手性花图案可以分离并选择性地捕获手性相反的手征活性粒子[M.Mijalkov,G.Volpe,Soft Matter 9,6376(2013)]。Reichhardt和Olson Reichhardt提出了一种利用不对称L形障碍物周期阵列对手征活性粒子进行分离的方法[C.Reichhardt and C.J.OlsonReichhardt,Phys.Rev.E 88,042306(2013)]。陈群和艾保全发现，手征活性粒子可以通过两个旋转方向相反的障碍物来捕获和分离[Q.Chen and B.Q.Ai,J.Chem.Phys.143,104113(2015)]。
螺旋波可以在介质中被激发，而且在许多自然系统都发现了其存在。螺旋波的旋转方向是螺旋运动随时间推移的旋转方向，螺旋波的旋度方向是螺旋空间几何结构本身的旋转方向。螺旋波的旋转方向和旋度方向都可以是顺时针或逆时针方向。Kessler和Levine的研究表明，螺旋波可以在振荡介质中以菱形形状出现[D.A.Kessler and H.Levine,NewJ.Phys.19,063026(2017)]。
现有技术依赖运动的障碍物分离活性粒子，需要为障碍物提供能量，分离效果不稳定，难以达到较高的分离率，在改变障碍物尺寸后难以分离粒子。
发明内容
本发明的目的就是提供一种利用螺旋形障碍物分离手征活性粒子的方法。
本发明方法具体是：将分离装置置于电磁振动台上，所述的分离装置包括底板，底板上中心表面设置有分离凸起，分离凸起外围设置有闭合环形的限制凸起，限制凸起围合成分离空间；所述的分离凸起为螺旋线形凸起；将具有相反手性的两种手征活性粒子任意置于底板上的分离空间内，启动电磁振动台，位于分离凸起内的一种手性的手征活性粒子通过分离凸起的开口逃离分离凸起围合的空间，位于分离凸起起外的另一种手性的手征活性粒子通过分离凸起的开口进入分离凸起围合的空间，即两种手征活性粒子分别位于分离凸起围合的空间外和内，实现两种手征活性粒子的分离。
进一步，底板为正方形，沿底板的边沿设置有限制凸起，围合成正方形的分离空间；三个长度为L1的长直线形凸起和两条长度为L2的短直线形凸起依次相接，形成方螺旋线形的分离凸起，L1＝2×L2。
或者，底板为圆形，沿底板的边沿设置有限制凸起，围合成圆形的分离空间；底板中心设置有螺旋线形的分离凸起。
本发明方法通过与螺旋形凸起的相互作用，一种手征活性粒子能够快速离开螺旋形凸起，而另一种手征活性粒子全部进入螺旋形凸起区域，即实现了粒子分离，该方法可以在较短时间内分离手性相反的活性粒子，分离手性相反的手征活性粒子的速度快。
采用本发明方法，一种手征活性粒子在进入螺旋形凸起区域后很难离开，而另一种手征活性粒子在逃离螺旋形障凸起后不易再次进入，可以实现手性相反的活性粒子的完全分离，分离手性相反的手征活性粒子的效果好。
附图说明
图1为本发明方法中一种分离装置示意图；
图2为另一种分离装置示意图；
图3为两种手性相反的手征活性粒子在分离空间内初始位置示意图；
图4为振动60s后两种手征活性粒子在分离空间内位置示意图；
图5为振动80s后两种手征活性粒子在分离空间内位置示意图；
图6为振动300s后两种手征活性粒子在分离空间内位置示意图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明方法进一步说明。
制作分离装置：如图1所示，沿边长L为50.0cm的正方形底板1的边沿固定四根高分子聚合物材料棒，作为隔离凸起2，隔离凸起2围合成正方形的分离空间。将三根长L1为35.0cm和两根长L2为17.5cm的高分子聚合物材料棒组成一个螺旋线形障碍物，作为分离凸起3，并将其固定在底板1上表面中心处。
分离装置也可如图2所示，底板1采用圆形板，沿底板的边沿设置有限制凸起2，围合成圆形的分离空间，底,1中心设置有螺旋线形的分离凸起3。
为避免螺旋线手征活性粒子难以逃离分离凸起围合的空间的现象，螺旋线无论是方形还是圆形，均采用单层螺旋线。
将分离装置置于电磁振动台上。选取80个半径为1.0cm的高分子树脂材料制作3D打印机器人并平均分为两组，每组40个3D打印机器人。每个3D打印机器质量为1.2g，并且具有7条腿，每条腿的倾斜角度都为15度。将两组3D打印机器人的脚设置为相反的倾斜方向，从而获得两组手性相反的3D打印机器人。图中实心圆圈和空心圆圈分别表示手性相反的3D打印机器人。如图3所示，将两组3D打印机器人随机摆放在分离空间内。因为3D打印机器人可以从振动台获取能量并进行自驱动和自旋转运动，所以在声波震动台面上的多个3D打印机器人可以组成单体具有手征性的活性系统。其中一组为可以做逆时针转动的3D打印机器人，另一组为可以做顺时针转动的3D打印机器人。
启动电磁振动台，调节电磁振动台的振幅和频率，以改变3D打印机器人的自驱动速度大小及其角速度大小。将3D打印机器人的自驱动速度大小调节至5.0cm/s，并将其角速度大小调节至0.1O/s。
如图4所示，振动60s后，两种手性的3D打印机器人在分离空间初步分离，实心圆圈表示的一种手性的3D打印机器人基本逃离分离凸起围合的空间，而空心圆圈表示的另一种手性的3D打印机器人陆续进入分离凸起围合的空间。如图5所示，振动80s后，两种手性的3D打印机器人在分离空间已经基本分离，只有少量空心圆圈表示的另一种手性的3D打印机器人位于分离凸起围合的空间外。如图6所示，电磁振动台运行5分钟后手性相反的3D打印机器人分别位于分离凸起围合的空间外和内，即实现了完全分离。

Claims (3)

1.一种利用螺旋形障碍物分离活性粒子的方法，其特征在于，该方法如下：
将分离装置置于电磁振动台上，所述的分离装置包括底板，底板上中心表面设置有分离凸起，分离凸起外围设置有闭合环形的限制凸起，限制凸起围合成分离空间；所述的分离凸起为螺旋线形凸起；
将具有相反手性的两种手征活性粒子任意置于底板上的分离空间内，启动电磁振动台，位于分离凸起内的一种手性的手征活性粒子通过分离凸起的开口逃离分离凸起围合的空间，位于分离凸起起外的另一种手性的手征活性粒子通过分离凸起的开口进入分离凸起围合的空间，即两种手征活性粒子分别位于分离凸起围合的空间外和内，实现两种手征活性粒子的分离。
2.如权利要求1所述的一种利用螺旋形障碍物分离活性粒子的方法，其特征在于：所述的底板为正方形，沿底板的边沿设置有限制凸起，围合成正方形的分离空间；三个长度为L1的长直线形凸起和两条长度为L2的短直线形凸起依次相接，形成方螺旋线形的分离凸起，L1＝2×L2。
3.如权利要求1所述的一种利用螺旋形障碍物分离活性粒子的方法，其特征在于：所述的底板为圆形，沿底板的边沿设置有限制凸起，围合成圆形的分离空间；底板中心设置有螺旋线形的分离凸起。
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