CN207200559U - 纳米马达及其驱动装置和控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型纳米马达及其驱动装置和控制装置，可以简化马达的制备，驱动马达运动，控制马达的运动方向。纳米马达为两个粘结在一起的球体，球体的半个球面上蒸镀有粘附层金属和磁性金属。纳米马达驱动装置的函数发生器的输出端连接着功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接着电磁线圈的输入端，电磁线圈的输出端产生振荡磁场并驱动容器内的纳米马达。纳米马达控制装置的函数发生器的输出端连接着功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接着四相自复位开关的输入端，四相自复位开关的输出端连接着电磁线圈的输入端，四个电磁线圈均匀分布在容器的上、下、左、右四端，电磁线圈的输出端产生振荡磁场并驱动容器内的纳米马达。

Description

纳米马达及其驱动装置和控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种纳米马达，更具体的说是一种纳米马达及其驱动装置和控制装置，属于纳米马达应用领域。

背景技术

2016年诺贝尔化学奖颁给了研究世界最小机器的分子机器，这为研究微纳米尺度的微小机器推向了高潮。微纳米马达是一种能够将其他形式的能量转化为动能产生自主运动的微纳米器件。由于这种独特的性质，因此在药物输送、生物传感、微修复等方面有着许多引人瞩目的应用前景。

自从2004年Paxton等人发现微纳米Au-Pt双金属棒以来，研究学者对于微纳米马达已经了解甚多。人们发现微纳米马达个体运动模式多达数十种，到目前为止，人们发现马达能量来源主要来源于两类：一类是以胶体颗粒表面粒子浓度梯度为代表的化学场，另一类是通过施加额外的超声场、热场、磁场等。化学驱动的微纳米马达一般具有比较快的速度，但是由于需要化学试剂和反应，这种微纳米马达在真正的生物医疗等领域面临巨大问题；外源驱动的微纳米马达以磁场驱动微纳米马达为代表，不仅不使用H₂O₂等化学试剂，同时还能够精确地控制马达的运动方向，所以目前微纳米马达较多通过外源磁场刺激马达，实现其自主运动。

磁控微纳米马达到目前为止，根据其运动机理磁控马达可以分为三类：螺旋摆动型、螺旋推进型以及表面作用驱动型。通过比较可以发现，磁控螺旋摆动型和螺旋推进型微纳米马达一般通过电沉积或者微纳米加工等工艺加工完成，但一般工艺比较复杂。为了简化加工复杂性，Tierno等人根据类似的旋转的运动的思想，首次制备出的表面作用驱动型马达，相比较而言马达的制备工艺稍微简化，但其运动速度过慢。

本专利所研究的马达既能简化制备工艺，又能提高马达的运动速度，速度最大可达35μm/s，同时马达还具备翻越一定高度的障碍物的能力。

发明内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种纳米马达及其驱动装置和控制装置，不仅可以简化马达的制备工艺，并且可以驱动马达运动，还可以控制马达的运动方向。

为解决上述技术问题，本实用新型一种纳米马达为两个粘结在一起的球体，所述球体的半个球面上蒸镀有粘附层金属和磁性金属，所述粘附层金属位于球体和磁性金属之间，所述球体均是蒸镀有粘附层金属和磁性金属的一面粘结在一起。

所述的粘附层金属10nm厚，所述的磁性金属为15nm厚。

所述的粘附层金属为金属Cr或金属Ti，所述的磁性金属为磁性Ni、磁性 Fe、磁性Co、Fe-Co合金、Fe-Ni合金、Co-Ni合金或者Fe-Co-Ni合金中的一种。

所述的球体为PS球、SiO₂球或PMMA球中的一种，所述纳米马达的直径为500nm～40μm。

一种纳米马达驱动装置，包括含有去离子水的容器、电磁线圈、功率放大器和函数发生器，所述函数发生器的输出端连接着功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接着电磁线圈的输入端，所述电磁线圈的输出端产生振荡磁场并驱动容器内的纳米马达。

所述的容器为毛细管、硅基衬底上的空腔、玻璃衬底上空腔或PDMS衬底上空腔中的一种。

所述的函数发生器为产生方波信号或正弦波信号的函数发生器，所述的功率放大器为低频功率放大器，所述的电磁线圈产生的磁场强度为1～10mT。

一种纳米马达控制装置，包括含有去离子水的容器、电磁线圈、功率放大器、函数发生器和四相自复位开关，所述函数发生器的输出端连接着功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接着四相自复位开关的输入端，所述四相自复位开关的输出端连接着电磁线圈的输入端，所述电磁线圈有四个，所述的四个电磁线圈均匀分布在容器的上、下、左、右四端，所述电磁线圈的输出端产生振荡磁场并驱动容器内的纳米马达。

所述的容器为毛细管、硅基衬底上的空腔、玻璃衬底上空腔或PDMS衬底上空腔中的一种。

所述的函数发生器为产生方波信号或正弦波信号的函数发生器，所述的功率放大器为低频功率放大器，所述的电磁线圈产生的磁场强度为1～10mT。

本实用新型纳米马达及其驱动装置和控制装置的有益效果为：

1.提出了一种新的纳米马达，简化了纳米马达的制备工艺，克服了目前制备纳米马达的复杂的工艺技术或者昂贵的设备要求；

2.研制出一种纳米马达的驱动装置，可以通过振荡磁场驱动纳米马达产生运动，简化了磁场驱动纳米马达的驱动方式，采用单个电磁线圈控制纳米马达的运动；

3.研制出一种纳米马达的控制装置，可以通过在纳米马达的不同方向产生振荡磁场，从而精确控制马达的运动方向，并且可以通过改变函数发生器的输出频率和输出电压来控制纳米马达的运动速度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本实用新型做进一步详细的说明。

图1为纳米马达驱动和控制装置的结构示意图。

图2为PS球蒸镀前的SEM图。

图3为PS球蒸镀后的SEM图。

图4为纳米马达制备过程示意图。

图5为纳米马达驱动装置的结构示意图。

图6为纳米马达结构示意图。

图7为控制纳米马达书写“HIT”的轨迹路线图。

图中：容器1；电磁线圈2；功率放大器3；函数发生器4；四相自复位开关5。

具体实施方式

应理解，这些实施例是用于说明本实用新型而不限于限制本实用新型的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

具体实施方式一：

下面结合图1-7说明本实施方式，本实施方式所述的一种纳米马达为两个粘结在一起的球体，所述球体的半个球面上蒸镀有粘附层金属和磁性金属，所述粘附层金属位于球体和磁性金属之间，所述球体均是蒸镀有粘附层金属和磁性金属的一面粘结在一起。

该纳米马达制备工艺较为简单，通过简单的装置可以实现对其精确的控制。所述的粘附层金属提高了磁性金属与球体的粘结性。所述的磁性金属起到了连接两个球体的作用。每个球体由于蒸镀磁性金属后受到地磁场磁化的作用形成单个磁铁，相互之间由于异性相吸而相互连接。

具体实施方式二：

下面结合图1-7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述的粘附层金属为10nm厚，所述的磁性金属为15nm厚。研究表明，粘附层金属厚度过薄，粘附作用减小；粘附层金属厚度过厚，影响球体的重量，从而影响马达的运动；磁性金属厚度过薄，磁场无法驱动纳米马达的运动；磁性金属过厚，纳米马达受到磁场作用较强而被拖动。粘附层金属厚度为10nm时，既不影响纳米马达的运动状态，同时起到粘附作用；磁性金属厚度可以为10nm～90nm，其中15nm效果较好。

具体实施方式三：

下面结合图1-7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述的粘附层金属为金属Cr或金属Ti，所述的磁性金属为磁性Ni、磁性Fe、磁性Co、Fe-Co合金、Fe-Ni合金、Co-Ni合金或者Fe-Co-Ni合金中的一种。金属 Cr或金属Ti作为粘附层，其粘附效果较好。磁性Ni、磁性Fe、磁性Co、Fe-Co 合金、Fe-Ni合金、Co-Ni合金或者Fe-Co-Ni合金为铁磁性材料，磁化之后球体的磁性不会消退。

具体实施方式四：

下面结合图1-7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述的球体为PS球、SiO₂球或PMMA球中的一种，所述纳米马达的直径为 500nm～40μm。

纳米马达的直径的直径较小时，受到布朗运动影响较为严重；纳米马达的直径的直径较大，则重力较大，磁场无法驱动。经实验研究，纳米马达的直径为500nm～40μm时驱动和控制效果较好。

具体实施方式五：

下面结合图1-7说明本实施方式，本实施方式所述的纳米马达驱动装置包括含有去离子水的容器1、电磁线圈2、功率放大器3和函数发生器4，所述函数发生器4的输出端连接着功率放大器3的输入端，所述功率放大器3的输出端连接着电磁线圈2的输入端，所述电磁线圈2的输出端产生振荡磁场并驱动容器1内的纳米马达。

驱动原理：在每半个周期信号中,一个球体受到拉力，同时另外一个球体受到推力，在接下来半个周期中，两个球体受力方向相反。经过了这样的一个周期，纳米马达会产生远离电磁线圈2方向的净位移。最终在持续的磁场作用下，纳米马达产生远离电磁线圈2方向的运动。

驱动过程：根据需求，函数发生器4输出不同频率和强度的正弦波信号，后经过功率放大器3将其能量扩大数倍传输给电磁线圈2，经电磁线圈2将放大后的正弦电信号转化为振荡磁场，纳米马达受到磁场作用后，将产生远离电磁线圈2的运动。

具体实施方式六：

下面结合图1-7说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述的容器1为毛细管、硅基衬底上的空腔、玻璃衬底上空腔或PDMS衬底上空腔中的一种。

具体实施方式七：

下面结合图1-7说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述的函数发生器4为产生方波信号或正弦波信号的函数发生器，所述的功率放大器3为低频功率放大器，所述的电磁线圈2产生的磁场强度为1～10mT。由于需要产生振荡磁场，所以选择产生正弦波信号或者方波信号的函数发生器 4。由于纳米马达需要磁场环境为1Hz～40Hz的低频磁场环境，所以需要低频功率放大器。低频功率放大器能将函数发生器4的电压增加，频率不变，从而能将磁场的强度增强。磁场强度过小，无法驱动纳米马达运动；磁场强度过大，纳米马达受到磁场作用较强而被拖动，因此磁场强度为1～10mT。

具体实施方式八：

下面结合图1-7说明本实施方式，本实施方式所述的纳米马达控制装置包括含有去离子水的容器1、电磁线圈2、功率放大器3、函数发生器4和四相自复位开关5，所述函数发生器4的输出端连接着功率放大器3的输入端，所述功率放大器3的输出端连接着四相自复位开关5的输入端，所述四相自复位开关5 的输出端连接着电磁线圈2的输入端，所述电磁线圈2有四个，所述的四个电磁线圈2均匀分布在容器1的上、下、左、右四端，所述电磁线圈2的输出端产生振荡磁场并驱动容器1内的纳米马达。

控制原理和过程：通过四相自复位开关5控制位于容器1上、下、左、右四端的电磁线圈2，函数发生器4输出的方波信号或正弦波信号经过功率放大器 3放大器后，传输给电磁线圈2，电磁线圈2产生振荡磁场，从而驱动马达运动。比如：容器1上方的电磁线圈2通过四相自复位开关5接通功率放大器3，电磁线圈2会输出振荡磁场使纳米马达向下运动。

具体实施方式九：

下面结合图1-7说明本实施方式，本实施方式对实施方式八作进一步说明，所述的容器1为毛细管、硅基衬底上的空腔、玻璃衬底上空腔或PDMS衬底上空腔中的一种。

具体实施方式十：

下面结合图1-7说明本实施方式，本实施方式对实施方式八作进一步说明，所述的函数发生器4为产生方波信号或正弦波信号的函数发生器，所述的功率放大器3为低频功率放大器，所述的电磁线圈2产生的磁场强度为1～10mT。

纳米马达的制备过程案例：

步骤1：将PS球铺展在洁净的玻璃板上，形成单层膜PS球；

步骤2：蒸镀厚度为10nm的金属Cr作为粘附层，所述的蒸镀工艺可以为电子束蒸镀、磁控溅射等物理气相沉积技术；

步骤3：继续蒸镀一层厚度为15nm的金属Ni作为磁性层，所述的蒸镀工艺可以为电子束蒸镀、磁控溅射等物理气相沉积技术；

步骤4：将蒸镀完成后的玻璃板置于含有去离子水的培养皿中，后移置超声波环境中超声数分钟，即可得到半包覆的磁性球体；

步骤5：用毛细管吸取少量半包覆的球体悬浮液，置于光学显微镜下的明场进行观察，并向毛细管施加振荡磁场，单个磁性球体在磁场作用下会组装成由两个单个磁性球体粘结在一起的纳米马达，该纳米马达是蒸镀有粘附层和磁性层的一面粘结在一起。

所述的毛细管也可以为硅基衬底上的空腔、玻璃衬底上空腔、PDMS衬底上空腔等等。

所述马达的材质也可以为SiO2球或者PMMA球等。

所述马达的直径为500nm～40μm。

所述粘附层金属Cr的替代材质为金属Ti。

所述磁性Ni的替代材质为Fe、Co、Fe-Co合金、Fe-Ni合金、Co-Ni合金或者Fe-Co-Ni合金。

当然，上述说明并非对本实用新型的限制，本实用新型也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种纳米马达，其特征在于：该纳米马达为两个粘结在一起的球体，所述球体的半个球面上蒸镀有粘附层金属和磁性金属，所述粘附层金属位于球体和磁性金属之间，所述球体均是蒸镀有粘附层金属和磁性金属的一面粘结在一起。

2.根据权利要求1所述的纳米马达，其特征在于：所述的粘附层金属为10nm厚，所述的磁性金属为15nm厚。

3.根据权利要求1所述的纳米马达，其特征在于：所述的粘附层金属为金属Cr或金属Ti，所述的磁性金属为磁性Ni、磁性Fe、磁性Co、Fe-Co合金、Fe-Ni合金、Co-Ni合金或者Fe-Co-Ni合金中的一种。

4.根据权利要求1所述的纳米马达，其特征在于：所述的球体为PS球、SiO₂球或PMMA球中的一种，所述纳米马达的直径为500nm～40μm。

5.一种纳米马达驱动装置，其特征在于：该纳米马达驱动装置包括含有去离子水的容器(1)、电磁线圈(2)、功率放大器(3)和函数发生器(4)，所述函数发生器(4)的输出端连接着功率放大器(3)的输入端，所述功率放大器(3)的输出端连接着电磁线圈(2)的输入端，所述电磁线圈(2)的输出端产生振荡磁场并驱动容器(1)内的纳米马达。

6.根据权利要求5所述的纳米马达驱动装置，其特征在于：所述的容器(1)为毛细管、硅基衬底上的空腔、玻璃衬底上空腔或PDMS衬底上空腔中的一种。

7.根据权利要求5所述的纳米马达驱动装置，其特征在于：所述的函数发生器(4)为产生方波信号或正弦波信号的函数发生器，所述的功率放大器(3)为低频功率放大器，所述的电磁线圈(2)产生的磁场强度为1～10mT。

8.一种纳米马达控制装置，其特征在于：该纳米马达控制装置包括含有去离子水的容器(1)、电磁线圈(2)、功率放大器(3)、函数发生器(4)和四相自复位开关(5)，所述函数发生器(4)的输出端连接着功率放大器(3)的输入端，所述功率放大器(3)的输出端连接着四相自复位开关(5)的输入端，所述四相自复位开关(5)的输出端连接着电磁线圈(2)的输入端，所述电磁线圈(2)有四个，所述的四个电磁线圈(2)均匀分布在容器(1)的上、下、左、右四端，所述电磁线圈(2)的输出端产生振荡磁场并驱动容器(1)内的纳米马达。

9.根据权利要求8所述的纳米马达控制装置，其特征在于：所述的容器(1)为毛细管、硅基衬底上的空腔、玻璃衬底上空腔或PDMS衬底上空腔中的一种。

10.根据权利要求8所述的纳米马达控制装置，其特征在于：所述的函数发生器(4)为产生方波信号或正弦波信号的函数发生器，所述的功率放大器(3)为低频功率放大器，所述的电磁线圈(2)产生的磁场强度为1～10mT。