CN115433310A - 一种结构色柱状微马达的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构色柱状微马达的制备方法及应用，其制备的步骤包括模板的制备、复合水凝胶的制备以及结构色柱状微马达的获得，该柱状微马达具有结构色前端以及负载催化剂的尾端。其特征在于所述结构色柱状微马达具有良好的结构色，易于观察，且其自驱动性有效提高了工作效率。这种结构色柱状微电机具有制备方法简单、高耐用性、高通用性等优点，适用于环境修复和传感检测等技术领域。
Description
技术领域
本发明属于环境材料技术领域，具体涉及一种结构色柱状微马达的制备方法及应用。
背景技术
重金属离子造成的水污染对公众健康和生态系统构成严重威胁。具有高效净化功能的多功能材料在健康、环境和能源等方面具有十分重要的意义。水凝胶吸附剂具有丰富的孔结构，具有高密度的金属离子配位基团，被广泛用于环境修复领域。特别地，水凝胶微马达可以将其他能量转化为动能，其运动特性为环境修复带来了新维度，重金属离子和微马达的相互作用增强，显著提高了净化效率，因此受到了科学界的广泛关注和研究。然而，目前的微马达在环境修复过程中无法实时反馈，不能实时报告微马达的吸附饱和度和水的净化程度，导致耗时增多和资源浪费的现象。
光子晶体是周期性的介电结构，具有绚丽的结构色，已广泛用于传感、监测、多重分析等领域。尤其是将光子晶体与响应性水凝胶整合构建的结构色水凝胶，在外界刺激下其发生的形变会引起结构色的变化，具有实时自报告特性，推动了自报告传感器的发展。在科学家的不断努力下，已经有许多不同响应机制的结构色水凝胶被发明出来，包括离子响应、pH响应、温度响应、光响应等，其中离子响应机制由于其环境监测中的可行性，是结构色水凝胶在环境监测领域中最广泛的机制。
发明内容
技术问题：为了解决传统吸附剂净化效率低、无法实时报告的缺点，本发明将微马达与结构色水凝胶结合，设计发明了一种自驱动的结构色微马达，可用于环境修复和监测。
技术方案：为解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种结构色柱状微马达的制备方法，包括以下步骤：
(1)模板的制备：将胶体粒子以六方密堆积的形式在毛细管内壁进行自组装，获得内壁有管状模板的毛细管；
(2)复合水凝胶的制备：
2.1)取一定量的前聚液加入到步骤(1)中内壁有管状模板的毛细管前端，使前聚液渗透到管状模板的空隙中；
2.2)另取一定量的前聚液，将催化剂分散在前聚液中，加入到步骤(1)中的毛细管尾端；去除前聚液中的气泡，固化混合溶液，获得复合水凝胶；
(3)结构色柱状微马达的获得：去除步骤(2)中复合水凝胶中的管状模板，浸泡在去离子水中去除未反应的成分，获得结构色柱状微马达。
进一步的，步骤(1)所述的管状模板是在毛细管中组装得到，因此所述的结构色柱状微马达的尺寸是由毛细管决定的。
作为优选的方案，毛细管长度为0.2mm-5mm，毛细管直径为0.2mm-5mm。
进一步的，步骤2.1)、步骤2.2)所述的前聚液为
丙烯酰胺、羧甲基纤维素、丙烯酸、羧甲基纤维素/丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺中的一种。
作为优选的方案，步骤2.2)所述的催化剂为二氧化锰粉末、铂纳米粒子中的一种。
作为优选的方案，步骤2.2)所述的前聚液和催化剂分散液的体积比为1:2-1:20。
进一步的，步骤2.2)所述的去除前聚液中气泡的方法为超声法或真空抽气法。
作为优选的方案，步骤2.2)所述固化的方式为紫外光激发法或氧化还原法。
作为优选的方案，步骤(3)所述的去除管状模板的方法为利用氢氟酸或氢氧化钠溶液去除二氧化硅粒子，将水凝胶从毛细管中剥离。
本发明还保护上述方法制备的结构色柱状微马达。
有益效果：相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：
(1)本发明将微马达和结构色水凝胶相结合，制备方法简单，操作方便，不需要很高的技术要求。
(2)本发明设计的结构色柱状微马达具有自发运动性，可以增强重金属离子和微马达的相互作用，实现高效修复。
(3)本发明制备的结构色柱状微马达在吸附重金属离子时会发生明显的结构色变化，且检测方法简单、快速，不需要复杂的检测设备，可以实时反馈修复进度，在环境传感领域拥有较高的研究价值。
附图说明
图1结构色柱状微马达的制备流程图，其中(a)为毛细管中的管状模板，(b)为向毛细管前端注入前聚液，(c)为在毛细管尾端注入催化剂分散液，(d)为固化后去除管状模板，从毛细管中剥离，得到结构色柱状微马达。
图2毛细管中管状模板的电镜图，(a)为毛细管中管状模板的整体结构，(b)为毛细管中管状模板的截面，在毛细管内壁上二氧化硅粒子呈周期性六方密堆积排列。
图3结构色柱状微马达的电镜图，(a)为结构色柱状微马达的整体结构，(b)为结构色柱状微马达前端的表面纳米结构，(c)为结构色柱状微马达尾端的催化剂电镜图。
图4本发明实施案例3的结构色柱状微马达的运动特性。
图5本发明实施案例4的结构色柱状微马达对环境的高效修复能力。
图6本发明实施案例4的结构色柱状微马达在吸附CdII离子时的体积、结构色及特征反射峰偏移。
图7本发明实施案例4的结构色柱状微马达的在吸附过程中特征反射峰与吸附饱和度的关系。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。实施例中未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例1一种结构色柱状微马达的制备
(1)模板的制备
准备20mL单分散的二氧化硅粒子酒精分散液；将内径1.0mm的干净毛细管插入二氧化硅酒精分散液中进行沉积，随着酒精挥发，二氧化硅粒子以六方密堆积的形式沉积在毛细管内壁，获得管状模板。
(2)复合水凝胶的制备
配置前聚液，含15wt％丙烯酰胺、0.5wt％N，N'-亚甲基双丙烯酰胺和1％(v/v)2-羟基-2-甲基苯丙酮；将前聚液注入毛细管前端，使前聚液渗透到管状模板的空隙中；将铂纳米粒子分散在前聚液中，超声使其分散均匀，将铂纳米粒子分散液注入毛细管尾端；超声处理10分钟以去除气泡；紫外光照射30秒，得到复合水凝胶。
(3)结构色柱状微马达的获得
将复合水凝胶浸泡在氢氟酸溶液中去除复合水凝胶中的管状模板，去离子水浸泡洗涤3次，去除未反应的成分，最终得到结构色柱状微马达。
实施例2一种结构色柱状微马达的制备
(1)模板的制备
准备20mL单分散的二氧化硅粒子酒精分散液；将内径1.0mm的干净毛细管插入二氧化硅酒精分散液中进行沉积，随着酒精挥发，二氧化硅粒子以六方密堆积的形式沉积在毛细管内壁，获得管状模板，电镜图如图2所示。
(2)复合水凝胶的制备
配置前聚液，含2wt％羧甲基纤维素、5wt％丙烯酰胺、0.17wt％N，N'-亚甲基双丙烯酰胺和0.08wt％过硫酸铵；将前聚液注入毛细管前端，使前聚液渗透到管状模板的空隙中；将铂纳米粒子分散在前聚液中，超声使其分散均匀，将铂纳米粒子分散液注入毛细管尾端；超声处理10分钟以去除气泡；60℃水浴30分钟，得到复合水凝胶。
(3)结构色柱状微马达的获得
将复合水凝胶浸泡在氢氟酸溶液中去除复合水凝胶中的管状模板，去离子水浸泡洗涤3次，去除未反应的成分，最终得到结构色柱状微马达，电镜图如图3所示。
实施例3本发明制备的结构色柱状微马达的运动特性
将实施例2中制备的结构色柱状微马达置于5％(v/v)H2O2溶液中，记录其运动，如图4所示。
实施例4本发明制备的结构色柱状微马达的环境高效修复和自报告验证
4.1、环境高效修复验证：将实施例2中制备的结构色柱状微马达干燥称重；准备40mL浓度为100mg/L的CdII离子溶液，另准备浓度为100mg/L的CdII离子溶液、含5％(v/v)H2O2和100mg/L CdII离子的溶液，使用HNO3溶液将两种溶液的pH调至5；取20mg结构色柱状微马达分别浸入两种溶液中，使用电感耦合等离子体发射光谱仪检测吸附不同时间后溶液中CdII离子的浓度。如图5所示，两种溶液中初始CdII离子的浓度相同，随着时间推移，CdII离子被结构色柱状微马达吸附，离子浓度逐渐减小，而且有5％(v/v)H2O2的溶液中CdII离子浓度较小，说明了结构色柱状微马达具有吸附重金属离子的环境修复特性，且其运动性提高了修复效率。
4.2、自报告验证：将实施例2中制备的结构色柱状微马达干燥称重；准备40mL浓度为100mg/L的CdII离子溶液，使用HNO3溶液将离子溶液的pH调至5；取20mg结构色柱状微马达浸入离子溶液中，使用相机和光纤光谱仪分别检测和记录结构色柱状微马达的结构色和特征反射峰变化。
如图6所示，初始时刻，结构色柱状微马达的结构色为红色，特征反射峰偏移量为0nm；随着时间推移，结构色柱状微马达吸附CdII离子增多，体积收缩，结构色发生蓝移，特征反射峰逐渐减小；最终结构色柱状微马达吸附饱和，结构色呈绿色，特征反射峰偏移量为134nm。如图7所示，通过结构色柱状微马达的结构色及特征反射峰，可以实时反馈其吸附饱和度，证明了其自报告特性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种结构色柱状微马达的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)模板的制备：将胶体粒子以六方密堆积的形式在毛细管内壁进行自组装，获得内壁有管状模板的毛细管；
(2)复合水凝胶的制备：
2.1)取一定量的前聚液加入到步骤(1)中内壁有管状模板的毛细管前端，使前聚液渗透到管状模板的空隙中；
2.2)另取一定量的前聚液，将催化剂分散在前聚液中，加入到步骤(1)中的毛细管尾端；去除前聚液中的气泡，固化混合溶液，获得复合水凝胶；
(3)结构色柱状微马达的获得：去除步骤(2)中复合水凝胶中的管状模板，浸泡在去离子水中去除未反应的成分，获得结构色柱状微马达。
2.根据权利要求1所述的结构色柱状微马达的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的管状模板是在毛细管中组装得到，因此所述的结构色柱状微马达的尺寸是由毛细管决定的。
3.根据权利要求2所述的结构色柱状微马达的制备方法，其特征在于：毛细管长度为0.2mm-5mm，毛细管直径为0.2mm-5mm。
4.根据权利要求1所述的结构色柱状微马达的制备方法，其特征在于：步骤2.1)、步骤2.2)所述的前聚液为；所述的前聚液为丙烯酰胺、羧甲基纤维素、丙烯酸、羧甲基纤维素/丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺中的一种。
5.根据权利要求1所述的结构色柱状微马达的制备方法，其特征在于：步骤2.2)所述的催化剂为二氧化锰粉末、铂纳米粒子中的一种。
6.根据权利要求1所述的结构色柱状微马达的制备方法，其特征在于：步骤2.2)所述的前聚液和催化剂分散液的体积比为1:2-1:20。
7.根据权利要求1所述的结构色柱状微马达的制备方法，其特征在于：步骤2.2)所述的去除前聚液中气泡的方法为超声法或真空抽气法。
8.根据权利要求1所述的结构色柱状微马达的制备方法，其特征在于：步骤2.2)所述固化的方式为紫外光激发法或氧化还原法。
9.根据权利要求1所述的结构色柱状微马达的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的去除管状模板的方法为利用氢氟酸或氢氧化钠溶液去除二氧化硅粒子，将水凝胶从毛细管中剥离。
10.权利要求1-9任一项所述方法制备的结构色柱状微马达。
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