超声驱动液态金属纳米马达的制备及运动控制研究

发布时间：2020-08-05 22:16

【摘要】：近年来,人造微纳米马达及其应用的研究成为引人注目的研究热点。本课题结合人造微纳米马达与镓基液态金属,合成液态金属纳米马达,并采用超声场作为动力来源驱动马达运动,分析纳米马达的运动行为与运动原理。镓基液态金属具有低熔点、高沸点、无蒸气压、高生物相容性等特点。本课题采用超声辅助的物理分散方法,制备了不同粒径的液态金属纳米球,视采用的条件不同,平均粒径分布在40 nm到200 nm区间内。除纳米球外,还通过长时间的超声破碎制备了镓铟合金纳米棒,纳米棒的平均直径100 nm,平均长度780 nm。该纳米棒由Ga OOH壳层与液态金属内核两部分构成。超声破碎时间、功率等变量均与粒子平均粒径相关,而超声破碎时间与醇-水体系混合溶剂中水占比通过影响氧化效果与纳米棒的生成正相关。采用MHz级别的超声波驱动液态金属纳米马达的运动,发现与对称的镓纳米球和Si O2微球相比,具有形状不对称性的镓铟合金纳米棒对超声场有良好的响应性,其在超声场中的运动速度最快能达到每秒50个身长,超越了大部分低雷诺数下的天然马达,比如细菌。同时,观察了超声驱动下镓铟合金纳米马达的群体聚集行为,通过开启和关闭超声场,可以控制聚集体形成和散开;通过调节超声场的频率,可以调整聚集体的聚集位置,即调整聚集体的运动方向。针对液态金属的光致发光(PL)效应和生物膜伪装纳米马达两方面,对液态金属纳米马达的生物应用进行了简单探索。利用镓铟合金纳米马达的PL效应成功标记并观察了癌细胞。制备了搭载阿霉素的磷脂膜伪装液态金属纳米马达,磷脂膜伪装对纳米马达的运动性能无明显负面效果,纳米马达在包覆磷脂膜后运动速度仍能达到37μm/s。表明超声驱动的液态金属纳米马达具有良好的生物应用前景。综上所述,本论文提出采用高能量超声处理方法制备液态金属纳米马达,并实现通过改变施加的低能量超声场的频率、振幅等变量,改变聚集体的移动速率、聚集形态等,并验证液态金属纳米马达在标记细胞与载药运输方面的应用前景。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1
【图文】：

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哈尔滨工业大学理学硕士学位论文第 1 章绪论课题背景及研究的目的和意义年来，伴随化学、物理学等基础学科的深入发展与交叉延伸，纳米科术越来越受到国内外研究学者的广泛关注。纳米科学与技术是关注介观、基于现代科学发展和生产生活需求的新兴科技领域，必将成为推动社和经济快速发展的主导力量之一。受到自然界生命运动形式的启发，国究人员已经开始研究和设计不同形式的微纳米马达。作为微纳米尺度下、导向和功能化于一体的集成系统，微纳米马达对纳米科学与技术的发重要意义[1-8]。

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图 1-2 三种类型的人造微纳米马达及对应运动机理示意图[3](a) 阴阳球型马达；(b) 管状马达；(c) 纳米线型马达，微纳米技术领域中，人造微纳米马达的研究日益增多，逐一。人造微纳米马达在药物靶向运输[9-13]，环境净化[14]，分捕获分离[16]、微型印刷体系[17]等领域可能带来革命性突破具有纳米线，纳米管，纳米棒，阴阳球（Janus）粒子等多所示）。人造微纳米马达在驱动方式方面通常分为化学驱动。原位化学反应利用催化剂及化学燃料（如过氧化氢）等，驱动；外界电场、超声场、磁场及光照等方式可以为微纳米接设备提供能量，可以对微纳米马达进行非化学驱动。人造泡驱动，自电泳驱动，超声驱动，自热泳驱动，磁场驱动，泳驱动，界面张力驱动，渗透压驱动等多种驱动方式（如造微纳米马达所具备的性能对其采用的材料也提出了很高较好的生物相容性、机械强度、柔韧性等[5]。目前采用的构的材料主要有以下几类：金属材料，如具备催化效果的铂

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一般指零价的金属）等特点。镓以及镓合金作为液态金粘度、以及液态下几乎没有蒸汽压等优点，因此，可以马达并期望其在生物领域具有较好的应用。纳米马达研究的发展概况观尺度运动的系统，人造微纳米马达适用的物理规律与别。考察在介质中运动的情况（部分宏观机械运动时的介质的粘度会对机械的运动形式产生很大影响。雷诺数表征了介质粘度，微观体系中雷诺数较低，代表着粘度则意味着惯性占主导地位（这代表了绝大多数符合牛顿菌是典型的低雷诺数介质中运动的生物体，其 Re 值为体在介质中受不规则碰撞而进行的布朗运动亦构成了人的“背景噪音”。人们需要寻找一种非传统的方法去推行运动，从而克服低雷诺数体系中的巨大的粘滞阻力以位的布朗运动[6]。

【参考文献】