基于物质梯度的微米级自驱动马达的数值模拟和实验研究

摘要

自驱动微纳米马达是一类人工合成的智能仿生材料，它能够将周围环境的能量转化为自身的自主运动，在生物医药、环境监测、生化分析等领域有着很大的应用潜力。在众多类型的微纳米马达中，基于物质梯度的自驱动微纳米马达运动机理相对明确，能以类似于菌落的方式动态自组装，同时具有大小和形状均一可控的优点，因而是一种研究自组装行为的良好模型。微纳米马达的运动与自组装的研究不仅有助于理解自然界中生物的群体行为，也在低维材料自下而上的合成方面具有一定的现实意义。
　　近十年间涌现出多种依靠物质梯度驱动的为纳米马达，其中双金属棒催化微马达研究时间最长，受到了很大的关注。但是其运动过程是一个复杂的动态过程，涉及多个物理场的耦合。为了更好地研究马达与其他结构以及马达之间的相互作用，本文基于自电泳机理，通过使用有限元模拟软件COMSOL，建立了二维轴对称和三维的双金属棒马达模型，研究了马达几何尺寸对其运动速度的影响；模拟研究了马达在微通道到内的加速现象及加速效果与马达尺寸、微通道尺寸和马达表面反应速率之间的关系，发现马达周围的电场压缩效应对其加速有重要影响。此外还研究了两个马达之间以及马达与惰性示踪球之间的相互作用力与距离的关系。模拟结果与实验中观察到的现象的对比，初步验证了模型的合理性。
　　群体行为研究需要新型的、动力学更为丰富的马达种类。受自电泳模型的启发，本文建立了基于自扩散泳的Janus球形（即两个半球性质不同）马达模型，并根据模型的设计制备了聚甲基丙烯酸甲酯-银（PMMA-Ag）和聚甲基丙烯酸甲酯-氯化银（PMMA-AgCl）两种基于自扩散泳驱动的Janus微米球。在实验中发现了PMMA-Ag Janus马达在过氧化氢和氯化钾中能够进行间歇性运动，并研究了体系参数对其运动周期规律的影响，结合模拟提出了其周期性运动来自于体系内周期性化学震荡引起的自扩散泳效应。此外，实现了PMMA-AgCl Janus小球在去离子水和紫外光体系中同样基于自扩散泳的驱动，研究了不同硝酸钾浓度下其运动速度和均方位移随时间的变化。
　　通过本文的研究，在一定程度上深化了对于自电泳微纳米马达运动机理与相互作用的认识，也丰富了基于物质梯度的微纳米马达的种类。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 数值模型的建立、实验方法和材料

2.1 双金属棒马达有限元模型的建立

2.2 基于自扩散泳Janus马达的有限元模型建立

2.3 实验材料和设备

2.4 实验及表征方法

第3章 双金属棒马达与结构之间相互作用的模拟

3.1 引言

3.2 单个双金属棒的模拟结果和速度计算

3.3 单个双金属棒运动速度与其几何结构的关系

3.4 双金属棒在受限空间内的加速现象

3.5 两个双金属棒之间的相互作用

3.6 双金属棒与惰性示踪小球之间的相互作用

3.7 本章小结

第4章 PMMA-Ag和PMMA-AgCl Janus马达的研究

4.1 引言

4.2 基于自扩散泳的Janus小球的模拟结果

4.3 PMMA-Ag Janus小球的制备及运动规律研究

4.4 PMMA-AgCl Janus小球的制备和实验

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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