CN116551157B - 一种石墨烯基螺旋微纳机器人及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳机器人技术领域，尤其涉及一种石墨烯基螺旋微纳机器人及其加工方法。该加工方法，包括以下步骤：A、将激光器照射在工作区域的光斑调整为三角形光斑；B、将碳基薄膜平整的放置于激光器工作区域，采用直线扫描的方式在碳基薄膜上进行激光加工，生成的石墨烯为螺旋状，得到石墨烯基螺旋状前驱体；C、对石墨烯基螺旋状前驱体进行磁控溅射镀膜；D、将镀膜后的石墨烯基螺旋状前驱体磁化，得到石墨烯基螺旋微纳机器人。本发明的加工方法，操作简单难度低、加工快速、材料易得，获得的微纳机器人螺旋结构的一致性好，适用于大规模快速生产。本发明的石墨烯基螺旋微纳机器人，具有密度小、运载能力强的特点。
Description
技术领域
本发明涉及微纳机器人技术领域，尤其涉及一种石墨烯基螺旋微纳机器人及其加工方法。
背景技术
微纳机器人是一种尺寸在微米甚至是纳米级别的机器人，可以通过电场、磁场、声场等外部场进行远程操控。螺旋型结构是微纳机器人最为经典的一种结构，通常是通过绕螺旋轴旋转实现自身的推进运动。近15年，微纳机器人由于其极小的体积，以及能够代替人类在极端环境和极度狭小的空间内工作等优势开始了急速发展。在体内药物传递、细胞内生物传感、微创手术、环境修复以及纳米级制造等领域都出现了微纳机器人的重要应用。
基于微纳机器人的微纳尺度，微纳机器人的加工通常采用多种微纳米制造技术，包括模板辅助电化学沉积、掠射角沉积、湿法化学合成法和3D打印等技术。但这些微纳米制造技术都具有一定的弊端：模板辅助电化学沉积和掠射角沉积技术可加工的机器人形状、结构有限，而且对环境要求极高，还有可能产生对环境有害的产物；湿法化学合成法所获得的结构可控性较差；3D打印技术需要昂贵的设备和复杂的操作，且能够应用的材料十分有限。
中国专利CN113352293A公开了一种通过飞秒激光全息光场加工金属螺旋微纳机器人的方法，其通过全息光场结合3D打印加工出高精度的金属螺旋型微纳机器人，解决了加工的结构可控性。该专利技术不足之处在于这种加工方式所需的操作复杂，加工的设备昂贵，所使用的材料选择有限，无法满足微纳机器人简单快速的加工。
另外，以上述工艺加工做得的螺旋微纳机器人为实心结构，运载能力有限，而且，实心结构的螺旋微纳机器人密度较大，其密度大于比水、乙醇、过氧化氢、人体血液、污染水等常见应用场景中的液体。因此，在螺旋微纳机器人的实际操控过程中会触底产生近壁效应，操控较困难，微纳机器人的实际运动轨迹和给定运动轨迹有一定的出入。
发明内容
本发明的目的在于提出一种石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，操作简单难度低、加工快速、材料易得，获得的微纳机器人螺旋结构的一致性好，适用于大规模快速生产。
本发明的目的在于提出一种石墨烯基螺旋微纳机器人，具有密度小、运载能力强的特点。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，包括以下步骤：
A、将激光器照射在工作区域的光斑调整为三角形光斑；
B、将碳基薄膜平整的放置于激光器工作区域，采用直线扫描的方式在碳基薄膜上进行激光加工，生成的石墨烯为螺旋状，得到石墨烯基螺旋状前驱体；
C、对石墨烯基螺旋状前驱体进行磁控溅射镀膜；
D、将镀膜后的石墨烯基螺旋状前驱体磁化，得到石墨烯基螺旋微纳机器人。
进一步的，所述步骤A中，所述激光器具有平场透镜，所述平场透镜中的透镜偏移距离为10-15mm以及旋转角度为10°-20°，使激光器照射在工作区域的光斑为三角形。
进一步的，所述步骤B中，直线扫描的方向平行于所述三角形光斑的任意一条边。
进一步的，所述步骤B中，所述光斑的直径为25-35μm，激光加工的激光波长为340-360nm，激光功率为9W-11W。
进一步的，所述步骤B中，所述碳基薄膜选自聚酰亚胺薄膜和聚醚酰亚胺薄膜中的一种。
进一步的，所述步骤B中，光斑按顺序在碳基薄膜进行多线端加工，得到多个石墨烯基螺旋状前驱体。
进一步的，所述步骤C中，磁控溅射镀膜使用的磁性金属靶材选自Ni、Fe、Co、Fe3O4中的任意一种。
进一步的，所述步骤D中，将镀膜后的石墨烯基螺旋状前驱体在强磁铁的磁场中进行磁化，磁感线方向垂直于石墨烯基螺旋状前驱体的螺旋轴。
进一步的，所述强磁铁磁场强度为400-500mT。
一种石墨烯基螺旋微纳机器人，该石墨烯基螺旋微纳机器人由上述的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法制备而得。
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
基于现有技术中螺旋微纳机器人加工成本高、操作复杂和结构局限的问题，本发明提供一种石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，该方法操作简单，各步骤均无需特殊环境，在室温和大气压强下能够简单快速加工出螺旋型微纳机器人，同时，获得的微纳机器人螺旋结构的一致性好。
本本发明加工所得的石墨烯基螺旋微纳机器人有如下优势：
1、结构优势：本方案中的石墨烯基螺旋微纳机器人是多孔结构有更大的比表面积，在其常见的应用领域：如药物传递和环境修复领域，拥有更大的药物装载量或重金属离子吸附量；
2、操控优势：石墨烯基微纳机器人密度可调，可以根据实际应用场景调整自身密度，实现在各种应用场景中的悬浮前进，避免不可控的近壁效应，操控简单。
附图说明
图1是本发明一个实施例的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法的流程图；
图2是本发明一个实施例的步骤B的示意图；
图3是本发明一个实施例的步骤C和步骤D的示意图；
图4是本发明一个实施例的石墨烯基螺旋状前驱体SEM图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
参见图1，本发明提供一种石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，包括以下步骤：
A、将激光器照射在工作区域的光斑调整为三角形光斑(类三角形光斑)；
B、参见图2，将碳基薄膜平整的放置于激光器工作区域(激光工作平台)，采用直线扫描的方式在碳基薄膜上进行激光加工，生成的石墨烯为螺旋状，得到石墨烯基螺旋状前驱体(参见图4)；
C、对石墨烯基螺旋状前驱体进行磁控溅射镀膜；
D、将镀膜后的石墨烯基螺旋状前驱体磁化，得到石墨烯基螺旋微纳机器人。
基于现有技术中螺旋微纳机器人加工成本高、操作复杂和结构局限的问题，本发明提供一种石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，该方法操作简单，各步骤均无需特殊环境，在室温和大气压强下能够简单快速加工出螺旋型微纳机器人，同时，获得的微纳机器人螺旋结构的一致性好。具体如下：
本技术方案中，以激光器直接在碳基薄膜加工得到石墨烯基螺旋状前驱体，一步成型，之后对石墨烯基螺旋状前驱体进行镀膜和磁化即可得到石墨烯基螺旋微纳机器人，该加工步骤极为简单，成型、镀膜和磁化步骤均在室温和大气压强下完成，在很大程度上简化了螺旋型微纳机器人的加工难度，另外，基于上述加工过程在空气中完成，各个步骤中均无清洗操作；
激光器能发出能量稳定的激光，而碳基薄膜平整的放置于激光器工作区域，加工石墨烯基螺旋状前驱体时碳基薄膜保持平整的状态，进而加工所得的多个石墨烯基螺旋状前驱体结构一致性好。而且，使用激光器在碳基薄膜加工石墨烯基螺旋状前驱体是通过破坏分子键来实现物质的转变，即加工过程主要为光化学反应，不会产生大量的热导致碳基薄膜的形变损伤，保证所加工的石墨烯基螺旋状前驱体形状可控。同时，激光器加工精度高，能够加工出尺寸更精细、使用范围更广的石墨烯基螺旋状前驱体。本技术方案适用于大规模生产石墨烯基螺旋微纳机器人。
本技术方案中，加工石墨烯基螺旋状前驱体的原理是，激光在碳基薄膜上辐照诱导出石墨烯的过程中，在激光辐照区域将会产生大量的氮气、二氧化碳等气体，这些气体会促进石墨烯与碳基薄膜的分离。在加工过程使用的三角形光斑，在碳基薄膜上诱导石墨烯的过程中，光斑的所在的三角形区域产生的气体是不均匀的，气体对生成的石墨烯的推力大小不同，则形成一种扭转推力，使得生成的石墨烯发生偏转，实现螺旋状石墨烯的加工。
另外，本技术方案加工所得的石墨烯基螺旋微纳机器人还有如下优势：
1、结构优势：本方案中的石墨烯基螺旋状前驱体是激光诱导的石墨烯，加工过程中产生的气体使其呈多孔结构。多孔结构能够增大螺旋微纳机器人的比表面积，这意味着在其常见的应用领域：如药物传递和环境修复领域，螺旋微纳机器人可以拥有更大的药物装载量或重金属离子吸附量。而现有技术中以3D打印技术、模板辅助电化学沉积、掠射角沉积、湿法化学合成法以及以光刻胶加工出的实心螺旋结构，表面不存在能够增大比表面积的特殊结构，比表面积远不如本方案中多孔结构的石墨烯螺旋大，药物装载量或重金属离子吸附量有限，即运载能力有局限性。
2、操控优势：螺旋型的微纳机器人绝大多数在液体中运动。现有技术中的大多螺旋微纳机器人大多密度较大，比水、乙醇、过氧化氢、人体血液、污染水等常见应用场景中的液体密度都大，操控较困难。而本方案中的石墨烯基微纳机器人密度可调，可以根据实际应用场景调整自身密度，实现在各种应用场景中的悬浮前进，避免不可控的近壁效应，操控简单。具体的，由于激光加工产生石墨烯的过程会产生气体，气体产生的快慢与激光的功率有关，激光功率越大气体产生的速度就越快，相同时间内产生的气体量更多。而激光加工过程产生的气体使石墨烯具备多孔结构，因此，可通过调整激光功率实现石墨烯密度的调整，即可实现石墨烯基微纳机器人的密度可调。
进一步的，步骤A中，激光器具有平场透镜，平场透镜中的透镜偏移距离为10-15mm以及旋转角度为10°-20°，使激光器照射在工作区域的光斑为三角形。可以理解的是，激光器的光斑为圆形，现有技术中通常采用圆形光斑进行加工。本发明中，以三角形光斑加工碳基薄膜生成螺旋状石墨烯，因此，需对激光器的平场透镜进行调节才能得到三角形光斑。需要说明的是，本发明中的平场透镜偏移和旋转是相对应正常透镜进行的：正常的透镜中心轴是重合的，偏移距离是指偏移后的透镜中心轴与原透镜中心轴的距离，旋转角度是指旋转后透镜的中心轴与原透镜中心轴的夹角。本发明中，使平场透镜中的透镜偏移距离为10-15mm以及旋转角度为10°-20°，能够在激光工作区域产生三角形光斑，且产生的三角形光斑大小尽可能接近调整前的圆形光斑。
进一步的，步骤B中，直线扫描的方向平行于三角形光斑的任意一条边。本技术方案中限定扫描方向为平行于三角形光斑的任意一条边，在激光扫描过程中，三角形光斑能够在扫描线段的两侧产生不同体积的气体，造成直线两侧的受力不均，引起所得石墨烯柱的扭转，最后形成石墨烯基螺旋状前驱体。本发明中，仅需激光扫描一条直线就能够产生螺旋结构的石墨烯，不需要复杂精密的xyz轴运动，加工过程简单易控。
进一步的，步骤B中，光斑的直径为25-35μm，激光加工的激光波长为340-360nm，激光功率为9W-11W。可以理解的，光斑直径是指三角形光斑的外切圆直径，基于调整所得的三角形光斑大小尽可能接近调整前的圆形光斑，该光斑直径接近调整前的圆形光斑直径。本技术方案中，通过限定光斑直径、激光波长和激光功率，从而使石墨烯基螺旋状前驱体的螺旋半径、螺旋线的粗细以及螺旋间距在合理范围内。具体的，本发明中的激光器为紫外皮秒脉冲激光器。
进一步的，步骤B中，碳基薄膜选自聚酰亚胺薄膜和聚醚酰亚胺薄膜中的一种。聚酰亚胺薄膜和聚醚酰亚胺薄膜的目的是提供稳定的碳原子来源，且碳基薄膜易于获得，并能够在加工过程中产生环境友好的气体产物。可以理解的是，富含碳原子的材料都可以成为本技术方案中的加工原材料，即碳基薄膜。示例性的，碳基薄膜还可以是树脂胶水的干燥膜层、木质素膜层或沥青膜层。而且，本技术方案中采用碳基薄膜为原材料，所得的微纳机器人的主要材料为石墨烯，石墨烯基螺旋微纳机器人没有致癌物以及其他对人体有伤害的物质，使用更安全。
进一步的，参见图2，步骤B中，光斑按顺序在碳基薄膜进行多线端加工，得到多个石墨烯基螺旋状前驱体。本发明的实施方式中，根据所需的微纳机器人长度，控制光斑的加工长度即可得到所需的石墨烯基螺旋状前驱体，采用多根等长线段的扫描方式可以人为有效控制所需的石墨烯基螺旋状前驱体的长度。激光扫描的线段互不重叠，每扫描一根线段能够加工出独立的石墨烯基螺旋状前驱体，一个光斑按顺序在碳基薄膜上扫描一根接一根的线段即可实现石墨烯基螺旋微纳机器人的大规模生产。
进一步的，步骤C中，磁控溅射镀膜使用的磁性金属靶材选自Ni、Fe、Co、Fe3O4中的任意一种。上述的磁性金属靶材溅射至石墨烯基螺旋状前驱体后，即可使得石墨烯基螺旋状前驱体能在磁场中被磁化。本发明的实施方案中，基于石墨烯基螺旋状前驱体的多孔性结构仅在石墨烯基螺旋状前驱体溅射一种磁性金属靶材就能实现很好的磁化效果，还能简化加工步骤和降低成本。参见图3，在本发明的一些实施方式中，将石墨烯基螺旋状前驱体放置在镀膜工作腔内的工作平台上，磁性金属靶材产生的磁性金属粒子沉积在石墨烯基螺旋状前驱体上。
进一步的，参见图3，步骤D中，将镀膜后的石墨烯基螺旋状前驱体在强磁铁的磁场中进行磁化，磁感线方向垂直于石墨烯基螺旋状前驱体的螺旋轴。对石墨烯基螺旋状前驱体进行磁化的目的是实现以旋转磁场控制微纳机器人的运动。本发明的实施方式中，使用强磁铁对石墨烯基螺旋状前驱体进行磁化，能让石墨烯基螺旋状前驱体尽可能达到饱和磁化强度，以便后续外部磁场对其进行灵活控制。强磁铁的磁场感线方向垂直于螺旋轴，即对石墨烯基螺旋状前驱体径向磁化。径向磁化后的螺旋微纳机器人能被旋转磁场带动旋转，并将旋转运动转化为平移运动，实现对螺旋微纳机器人的运动控制。本发明的一些实施方式中，强磁铁磁场强度为400-500mT。
相应的，本发明还提供一种石墨烯基螺旋微纳机器人，该石墨烯基螺旋微纳机器人由上述的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法制备而得。
以下通过实施例进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，包括以下步骤：
A、激光器具有平场透镜，平场透镜中的透镜偏移距离为10-15mm以及旋转角度为10°-20°，使激光器照射在工作区域的光斑为三角形，光斑直径为30μm，激光加工的激光波长为355nm，激光功率为10W；
B、将碳基薄膜(聚酰亚胺薄膜)平整的放置于激光器工作区域，采用直线扫描的方式在碳基薄膜上进行激光加工，直线扫描的方向平行于三角形光斑的任意一条边，生成的石墨烯为螺旋状，得到石墨烯基螺旋状前驱体；光斑按顺序在碳基薄膜进行多线端加工，得到多个石墨烯基螺旋状前驱体。
C、对石墨烯基螺旋状前驱体进行磁控溅射镀膜；磁控溅射镀膜使用的磁性金属靶材为Ni。
D、将镀膜后的石墨烯基螺旋状前驱体在强磁铁的磁场中进行磁化，得到石墨烯基螺旋微纳机器人。磁感线方向垂直于石墨烯基螺旋状前驱体的螺旋轴，实现径向磁化，强磁铁磁场强度为400-500mT。
实施例2
本实施例的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，包括以下步骤：
A、激光器具有平场透镜，平场透镜中的透镜偏移距离为10-15mm以及旋转角度为10°-20°，使激光器照射在工作区域的光斑为三角形，光斑直径为25μm，激光加工的激光波长为360nm，激光功率为11W；
B、将碳基薄膜(聚醚酰亚胺薄膜)平整的放置于激光器工作区域，采用直线扫描的方式在碳基薄膜上进行激光加工，直线扫描的方向平行于三角形光斑的任意一条边，生成的石墨烯为螺旋状，得到石墨烯基螺旋状前驱体；
光斑按顺序在碳基薄膜进行多线端加工，得到多个石墨烯基螺旋状前驱体。
C、对石墨烯基螺旋状前驱体进行磁控溅射镀膜；磁控溅射镀膜使用的磁性金属靶材选自Fe3O4。
D、将镀膜后的石墨烯基螺旋状前驱体在强磁铁的磁场中进行磁化，得到石墨烯基螺旋微纳机器人。磁感线方向垂直于石墨烯基螺旋状前驱体的螺旋轴，实现径向磁化，强磁铁磁场强度为400-500mT。
实施例3
本实施例的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，包括以下步骤：
A、激光器具有平场透镜，平场透镜中的透镜偏移距离为10-15mm以及旋转角度为10°-20°，使激光器照射在工作区域的光斑为三角形，光斑直径为35μm，激光加工的激光波长为340nm，激光功率为9W；
B、将碳基薄膜(聚醚酰亚胺薄膜)平整的放置于激光器工作区域，采用直线扫描的方式在碳基薄膜上进行激光加工，直线扫描的方向平行于三角形光斑的任意一条边，生成的石墨烯为螺旋状，得到石墨烯基螺旋状前驱体；
光斑按顺序在碳基薄膜进行多线端加工，得到多个石墨烯基螺旋状前驱体。
C、对石墨烯基螺旋状前驱体进行磁控溅射镀膜；磁控溅射镀膜使用的磁性金属靶材Co。
D、将镀膜后的石墨烯基螺旋状前驱体在强磁铁的磁场中进行磁化，得到石墨烯基螺旋微纳机器人。磁感线方向垂直于石墨烯基螺旋状前驱体的螺旋轴，实现径向磁化，强磁铁磁场强度为400-500mT。
根据本发明实施例的一种石墨烯基螺旋微纳机器人及其加工方法的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将激光器照射在工作区域的光斑调整为三角形光斑；
B、将碳基薄膜平整的放置于激光器工作区域，采用直线扫描的方式在碳基薄膜上进行激光加工，生成的石墨烯为螺旋状，得到石墨烯基螺旋状前驱体；
C、对石墨烯基螺旋状前驱体进行磁控溅射镀膜；
D、将镀膜后的石墨烯基螺旋状前驱体磁化，得到石墨烯基螺旋微纳机器人。
2.根据权利要求1所述的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，其特征在于，所述步骤A中，所述激光器具有平场透镜，所述平场透镜中的透镜偏移距离为10-15mm以及旋转角度为10°-20°，使激光器照射在工作区域的光斑为三角形。
3.根据权利要求1所述的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，其特征在于，所述步骤B中，直线扫描的方向平行于所述三角形光斑的任意一条边。
4.根据权利要求1所述的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，其特征在于，所述步骤B中，所述光斑的直径为25-35μm，激光加工的激光波长为340-360nm，激光功率为9W-11W。
5.根据权利要求1所述的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，其特征在于，所述步骤B中，所述碳基薄膜选自聚酰亚胺薄膜和聚醚酰亚胺薄膜中的一种。
6.根据权利要求1所述的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，其特征在于，所述步骤B中，光斑按顺序在碳基薄膜进行多线端加工，得到多个石墨烯基螺旋状前驱体。
7.根据权利要求1所述的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，其特征在于，所述步骤C中，磁控溅射镀膜使用的磁性金属靶材选自Ni、Fe、Co、Fe3O4中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，其特征在于，所述步骤D中，将镀膜后的石墨烯基螺旋状前驱体在强磁铁的磁场中进行磁化，磁感线方向垂直于石墨烯基螺旋状前驱体的螺旋轴。
9.根据权利要求8所述的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法，其特征在于，所述强磁铁磁场强度为400-500mT。
10.一种石墨烯基螺旋微纳机器人，其特征在于，该石墨烯基螺旋微纳机器人由权利要求1-9任一项所述的石墨烯基螺旋微纳机器人的加工方法制备而得。
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