GaInSn液态金属球形Janus微马达的制备及运动机理的研究
发布时间：2021-03-03 11:13
微纳米马达能够将自身或环境中的光,声和磁等能量转换为机械能,从而实现特定的运动。而化学驱动的微纳米马达不需要借助外部能量,由存储在燃料中的化学能就可以转化为自身的自主移动,备受广大研究者的关注。目前,化学驱动的微纳米马达以过氧化氢（H2O2）的催化分解为主,尽管涉及一些生物酶（如过氧化氢酶,葡萄糖氧化酶）的使用,但是不可避免的会有H2O2的参与。而其他形式的化学驱动大多借助活泼金属与酸,碱或水的反应。但是无论是有毒的H2O2分解还是活泼金属的激烈反应,产生的大量气泡都可能在静脉,肺部或脑部诱发致命的气体栓塞病,从而限制了化学驱动的微纳米马达的应用。因此,在整个化学驱动的微纳米马达方向,对新的燃料体系的探索至关重要。基于此,本文选用了生物相容性良好的新型材料镓铟锡（GaInSn）液态金属作为微纳米马达的制备材料,利用碱性环境中的氢氧化钠（NaOH）作为燃料,实现了反应温和,生物相容性良好的化学自驱动体系。本课题设计和制备了GaInSn液态金属球形Janus微...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于无机氧化物/盐的微纳米马达a）SiO2基微纳米马达的示意图和视频截图[19]；b）
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-8-在双金属纳米棒中被广泛接受的机制为自电泳机制。如图1-5c）所示，在双金属Au/Pt纳米马达的情况下，H2O2的氧化优先发生在Pt端，而H2O2的还原优先发生在Au端。由于Pt侧的H+过量，产生带电粒子的迁移生成局部电场，电场从Pt端指向Au端，带负电的棒使Pt侧向前移动[44]。图1-5不同形状的微纳米马达利用金属催化剂分解H2O2的驱动机理示意图a）管状微纳米马达[40]；b）球形Janus微纳米马达[45]；c）双金属棒微纳米马达[44]（2）通过生物酶（过氧化氢酶、葡萄糖氧化酶或脲酶等）催化分解有机物释放化学能。使用酶驱动微纳米马达的最初动机是降低自推进所需的H2O2燃料浓度。如图1-6a）所示，过氧化氢酶能将H2O2分解成氧气气泡，由于其高活性和生物相容性而被引入微纳米马达系统作为Pt的替代物[46]。Wu等人通过在一侧化学固定过氧化氢酶制备了过氧化氢酶催化的Janus胶囊马达[47]。此后Pantarotto等人在微纳米马达中采用了葡萄糖氧化酶（GOx）和过氧化氢酶的二元酶系统，其中葡萄糖可以用作替代燃料，见图1-6b）。GOx最初将葡萄糖转化为H2O2，然后过氧化氢酶将其进一步分解为瞬时燃料[48]。如图1-6c）所示，Ma等人还通过使用三元酶（过氧化氢酶，GOx和脲酶）和SiO2结合完成了SiO2Janus纳米马达的驱动[49]。Golestanian提出了一种自扩散电泳机制以增强扩散。他提出酶促反应的产物优先在酶的一侧释放或积聚，从而产生浓度梯度，最终驱动马达运动[50]。当然，对酶促反应的机理不仅仅局限于自扩散电泳，为了更好的设计和使用酶动力微纳米马达，对酶促反应的机理依然被广泛研究。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-10-1.3.2光驱动光驱动是借助光敏材料在光作用下发生反应，将光能转换为机械能的一种驱动方式。按照其光源不同可以分为紫外（Ultraviolet，UV）光驱动、可见光驱动、红外（Nearinfrared，NIR）光驱动和其他光源驱动。最近Wang等人报道了以表面包裹SiO2的纳米银线为主体，氯化银颗粒为尾部的UV光驱动的Ag-SiO2类火柴纳米马达，该马达利用氯化银尾部的光催化反应提供动力产生自驱动，并且主动与检测物接触形成表面增强拉曼光谱探针用于生化传感，见图1-8a），从而拓宽了紫外光驱动微纳米马达的应用范围[54]。考虑到紫外线会对免疫系统或活生物体功能产生破坏，因此宽光谱的可见光也被研究[55,56]。Wang等人制备了纳米帽形的Au/TiO2马达，在可见光的作用下，其表面等离子共振效应引起了在Au和TiO2层之间的自电泳，进而表现出增强的布朗运动[55]，如图1-8b）所示。鉴于近红外光在人体组织中具有有效的穿透力和弱吸收性，因此在微纳米马达中被用于生物医学应用。Jiang等人报道了NIR光驱动的镀金JanusSiO2微马达。当受到NIR光照射时，由于马达的不对称结构，SiO2层可以吸收光能并产生温度梯度，如图1-8c）所示，通过热泳产生推进力[57]。为进一步增强微纳米马达的穿透能力，Xu等人首次利用X射线作为动力推动Cu/SiO2Janus微纳米马达，如图1-8d）所示，其运动归因于水辐解作用在微马达的Cu侧形成的氢气泡，气泡的不断产生推动微马达的运动[58]。图1-8光催化驱动微纳米马达推动机理；a）UV光驱动的Ag-SiO2纳米马达示意图[54]；b）可见光驱动的纳米帽形Au/TiO2纳米马达[55]；c）NIR光驱动镀金JanusSiO2微马达[57]；d）X射线驱动的Cu/SiO2微马达[58]
【参考文献】：
期刊论文
[1]自驱动柔性液态金属车辆之间的自主融合与分离(英文)[J]. 张洁,姚又友,刘静. Science Bulletin. 2015(10)
硕士论文
[1]SiO2@Ag纳米马达的运动规律及拉曼增强效应研究[D]. 王勇.哈尔滨工业大学 2018
本文编号：3061165
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于无机氧化物/盐的微纳米马达a）SiO2基微纳米马达的示意图和视频截图[19]；b）
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-8-在双金属纳米棒中被广泛接受的机制为自电泳机制。如图1-5c）所示，在双金属Au/Pt纳米马达的情况下，H2O2的氧化优先发生在Pt端，而H2O2的还原优先发生在Au端。由于Pt侧的H+过量，产生带电粒子的迁移生成局部电场，电场从Pt端指向Au端，带负电的棒使Pt侧向前移动[44]。图1-5不同形状的微纳米马达利用金属催化剂分解H2O2的驱动机理示意图a）管状微纳米马达[40]；b）球形Janus微纳米马达[45]；c）双金属棒微纳米马达[44]（2）通过生物酶（过氧化氢酶、葡萄糖氧化酶或脲酶等）催化分解有机物释放化学能。使用酶驱动微纳米马达的最初动机是降低自推进所需的H2O2燃料浓度。如图1-6a）所示，过氧化氢酶能将H2O2分解成氧气气泡，由于其高活性和生物相容性而被引入微纳米马达系统作为Pt的替代物[46]。Wu等人通过在一侧化学固定过氧化氢酶制备了过氧化氢酶催化的Janus胶囊马达[47]。此后Pantarotto等人在微纳米马达中采用了葡萄糖氧化酶（GOx）和过氧化氢酶的二元酶系统，其中葡萄糖可以用作替代燃料，见图1-6b）。GOx最初将葡萄糖转化为H2O2，然后过氧化氢酶将其进一步分解为瞬时燃料[48]。如图1-6c）所示，Ma等人还通过使用三元酶（过氧化氢酶，GOx和脲酶）和SiO2结合完成了SiO2Janus纳米马达的驱动[49]。Golestanian提出了一种自扩散电泳机制以增强扩散。他提出酶促反应的产物优先在酶的一侧释放或积聚，从而产生浓度梯度，最终驱动马达运动[50]。当然，对酶促反应的机理不仅仅局限于自扩散电泳，为了更好的设计和使用酶动力微纳米马达，对酶促反应的机理依然被广泛研究。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-10-1.3.2光驱动光驱动是借助光敏材料在光作用下发生反应，将光能转换为机械能的一种驱动方式。按照其光源不同可以分为紫外（Ultraviolet，UV）光驱动、可见光驱动、红外（Nearinfrared，NIR）光驱动和其他光源驱动。最近Wang等人报道了以表面包裹SiO2的纳米银线为主体，氯化银颗粒为尾部的UV光驱动的Ag-SiO2类火柴纳米马达，该马达利用氯化银尾部的光催化反应提供动力产生自驱动，并且主动与检测物接触形成表面增强拉曼光谱探针用于生化传感，见图1-8a），从而拓宽了紫外光驱动微纳米马达的应用范围[54]。考虑到紫外线会对免疫系统或活生物体功能产生破坏，因此宽光谱的可见光也被研究[55,56]。Wang等人制备了纳米帽形的Au/TiO2马达，在可见光的作用下，其表面等离子共振效应引起了在Au和TiO2层之间的自电泳，进而表现出增强的布朗运动[55]，如图1-8b）所示。鉴于近红外光在人体组织中具有有效的穿透力和弱吸收性，因此在微纳米马达中被用于生物医学应用。Jiang等人报道了NIR光驱动的镀金JanusSiO2微马达。当受到NIR光照射时，由于马达的不对称结构，SiO2层可以吸收光能并产生温度梯度，如图1-8c）所示，通过热泳产生推进力[57]。为进一步增强微纳米马达的穿透能力，Xu等人首次利用X射线作为动力推动Cu/SiO2Janus微纳米马达，如图1-8d）所示，其运动归因于水辐解作用在微马达的Cu侧形成的氢气泡，气泡的不断产生推动微马达的运动[58]。图1-8光催化驱动微纳米马达推动机理；a）UV光驱动的Ag-SiO2纳米马达示意图[54]；b）可见光驱动的纳米帽形Au/TiO2纳米马达[55]；c）NIR光驱动镀金JanusSiO2微马达[57]；d）X射线驱动的Cu/SiO2微马达[58]
【参考文献】：
期刊论文
[1]自驱动柔性液态金属车辆之间的自主融合与分离(英文)[J]. 张洁,姚又友,刘静. Science Bulletin. 2015(10)
硕士论文
[1]SiO2@Ag纳米马达的运动规律及拉曼增强效应研究[D]. 王勇.哈尔滨工业大学 2018
本文编号：3061165
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