基于光诱导对流一元与ZnO-TiO2二元马达集群的构建及运动行为

摘要

微纳米马达是一种能够将多种形式的能量转化成自身动能的微纳米器件，并且通过特定功能化后可以执行药物输送、微纳加工和环境修复等任务。随着相关研究的不断深入，研究人员发现微纳米马达的集群展现了丰富的行为模式，并且可以进一步拓宽马达的应用范围。因此，微纳米马达集群的研究开始吸引越来越多的关注。目前相继报道了多种微纳米马达集群的构建方法，但是这些方法均存在各自的局限性。化学场构建方法形成集群的速度缓慢，且仅能实现集群的聚散控制，未能实现进一步的迁移行为控制。外场构建方法虽然对集群的运动控制程度要优于化学场，但是所需装置的复杂性以及对马达性质的要求限制了进一步的应用。并且目前集群的研究对象多为一元微纳米马达，尚未将体系拓展至二元。微纳米马达集群体系的多元化对于其功能化建设具有重要意义，不同马达之间的作用以及相应的集群行为对于仿生研究也有一定参考价值。因此，针对以上问题，本论文以微纳米马达集群作为研究对象，通过简单有效的方法分别构建一元和二元马达集群，并对其运动行为进行研究。 首先，我们通过光诱导对流方法实现了微纳米马达集群的构建及其整体运动控制。近红外光照射引起的温度梯度产生对流，从而实现在长程范围内收集分散的微米马达形成群体。通过移动近红外光源改变对流中心的位置，可以实现马达集群的定向迁移。通过提高近红外光的功率密度，可以优化集群构建及迁移运动的相关参数，包括响应时间、集群范围和运动速度等。由于光诱导对流对马达的材料性质和几何特性没有要求，因此该方法对TiO2/Pt、SiO2/Pt、TiO2、ZnO等微米马达，以及一些微生物如大肠杆菌、红细胞等，均能实现相应一元集群的行为控制。该方法的广泛适用性和易操作性为实现微纳米马达集群的构建和运动行为控制、以及操纵多元马达进行协同作用提供了新路线。 其次，基于光诱导对流方法我们进一步构建了ZnO-TiO2二元微米马达集群，并探索了集群的运动行为以及两种马达之间的相互作用。利用过氧化氢溶液分别对ZnO及TiO2马达表面离子释放的促进和抑制影响，增强了ZnO的扩散泳排斥作用力而减小了TiO2的扩散泳吸引作用力。集群中两种力相互影响从而呈现出明显的排斥作用，并且通过提高过氧化氢的浓度可以增强这种排斥行为。因此，集群中ZnO和TiO2马达表现的扩散泳排斥行为，可以在到达目标区域后将集群迅速拆分。这种二元集群预期将为材料的局部多位点修复等应用提供新的技术支持。

目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 微纳米马达个体的运动机理

1.2.1 自驱动微纳米马达

1.2.2 外场驱动微纳米马达

1.3 微纳米马达集群的构建机理

1.3.1 化学场诱导集群

1.3.2 外场诱导集群

1.3.3 不同集群控制方法的优缺点

1.4 微纳米马达集群的应用

1.4.1 生物治疗

1.4.2 局部修复

1.4.3 生物成像

1.5研究目的与内容

第2章 基于光诱导对流一元微米马达集群的构建及运动行为

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂和仪器设备

2.2.2 实验过程

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 典型TiO2/Pt一元微米马达集群的构建及迁移运动

2.3.2 TiO2/Pt一元微米马达集群控制的机理验证

2.3.3 集群运动的相关参数调控

2.3.4 集群控制方法的通用性

2.4 本章小结

第3章 基于光诱导对流ZnO-TiO2二元微米马达集群的构建及运动行为

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂和仪器设备

3.2.2 实验过程

3.2.3 样品表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 ZnO与TiO2微米马达的表征

3.3.2 ZnO-TiO2二元集群的构建与运动行为

3.3.3 ZnO-TiO2二元集群行为的机理解释

3.3.4 ZnO-TiO2二元集群的原位分散

3.4 本章小结

第4章 结论

致谢

参考文献

研究生期间发表的学术成果