光驱扩散泳微纳马达集群行为研究

发布时间：2020-10-27 10:58

　　 自然界中的个体可通过交互组成群体,不仅能够表现出复杂的集群行为,还能够实现多样化的功能。类似于自然界的集群行为,人造微纳马达群体可通过内部交互和环境交互形成集群体,从而展现出远超微纳马达个体的功能性。微纳马达是一种可以将环境能量转化为自身机械能的微纳尺度机器人。不同的能量在驱动微纳马达时具有各异的优势,而光能作为一种随处可见,控制方式简单的能源,可将宏观的光能梯度转化为化学浓度梯度,通过扩散泳机理驱动微纳马达运动,在实现微纳马达集群方面具有突出的优势,从而有效解决单体微纳马达无法应对大尺度环境污染、大面积组织病变的问题。然而,目前光驱扩散泳微纳马达的研究多集中于现象研究,缺乏对内部机理的深入阐释,也缺乏面向应用的集群策略。因此,研究光驱扩散泳微纳马达的驱动机理和集群行为,可以为扩散泳微纳马达的设计提供优化参数,对提高光驱微纳马达的应用范围和作用效果具有重要意义。本文采用理论、实验和仿真结合的方法,在理论层面从半导体的物化特性入手,从光电效应角度阐明半导体内部的能级分布规律和载流子分布规律,基于电导调制效应及阱辅助复合方式探究了氧化铁光注入非平衡载流子时电导率的变化规律和载流子的复合机理,并根据热电子发射机理分析了半导体内部电子在热发射过程中的逸出特性。根据氧化铁与过氧化氢的光照芬顿反应,阐释了反应产物的构成及PH值对产物组分的影响规律。基于电化学原理揭示了马达表面反应离子交换率的影响因素。基于双电层理论及玻尔兹曼分布规律分析了马达表面物理特性和溶液内部化学特性对马达与溶液界面相互作用的影响规律。阐明了溶液环境内各个物理场模块的控制方程,并根据控制方程分析了物理场之间的单向耦合关系,建立了全耦合的扩散泳微纳马达溶液环境物理场模型。针对单一介质溶液环境,设计了图案化集群实验装置,采用高温水热法制备氧化铁微纳颗粒,并对其形貌、尺寸、晶相、元素及光吸收特性进行表征,实验研究了微纳马达光照下的图案化集群行为。建立微纳马达图案化集群的全耦合有限元模型,将反应工程、化学、静电、流体、粒子示踪等多个物理场耦合并研究了微纳马达集群过程中整个系统内的浓度分布、电场分布、流线分布及粒子排布,针对该集群方法在微纳制造领域的应用前景,探究了各类参数对马达集群图案边缘锐度的影响规律。从单向介质溶液环境拓展到两相介质溶液环境,基于光驱扩散泳机理设计了由微纳马达集群体驱动的液滴机器人。通过实验方法对油相中装载有过氧化氢溶液及马达集群体的液滴,在局部光照下受扩散泳力驱动的运动行为进行了研究。为了实现微纳马达集群的可重构化及液滴的动态控制,通过控制光照位置将多个液滴融合为一体。基于光驱扩散泳多物理场模型,将模型耦合至两相流中,探究了光驱扩散泳驱动机理下的两相流界面变化规律,并进一步研究了正反应速率、马达半径、两相迁移率对液滴驱动效果的影响。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

具有广阔的应用前景[8-15]。由于固态微纳马达的合成难度较大，早期针对马达的研究多集中于对非固体马达，即分子马达和液体马达上[16-20]。近年着各种新型合成技术的不断发展，基于聚合物、金属、非金属无机物的微达得到了快速发展，其发展里程碑如图 1-1 所示。在微观尺度上，粘性力着惯性力，为了克服这一挑战，自然界中进化出了许多可利用环境能量的技术，如许多微生物具有在水中灵活划桨的能力。受上述自然现象的启发一个人工自驱动的固态微纳马达可以通过不对称的过氧化氢燃料分解为氧成反应产物梯度，推进马达前进。随着这一类固态马达的问世，微纳马达勃发展，研究领域不断交叉扩散，从机电、物理化学领域拓展到生物、材料学等多个学科。从化学反应角度看，研究微纳马达可以使马达材料快速有分散在溶剂内，从而提高化学反应效率。从微纳运输角度看，具有独特表能的微纳马达可以更容易地与反应试剂或特定受体结合，以提高样品及试溶液内的运输效率。此外，针对微纳马达的多种推进策略及各类表面反应催生多样的化学反应平台，促进一系列化学反应实现系统化。因此，从微达角度，微纳马达的研究对促进其他学科的研究进展具有重大意义和深远。

在光照条件下，马达发生化学反应，非对称的表面反应速率引发度梯度作用在流体上形成压力引发流体流动，进而驱动马达运动驱动材料多样、设计思路简单、控制策略多样，因此成为了目前领域的研究热点。外，由于单体微纳马达作用面积为微米级，在实际应用中无法针病变、大面积环境污染等宏观结构产生明显作用效果，针对这一达的集群作用受到了广泛关注。集群是指微纳马达在自身或者外，马达之间及马达和溶液之间产生交互，形成集群体的现象。集界中较为普遍，如图 1-3 所示，大型鱼群可通过改变形状和内部围环境，成群的大雁排成特殊形状飞行，以减少迁徙时的空气阻则可以运输比它们身体更大更重的食物，狼群在狩猎时群集而动种狩猎策略团结协作，保护自己。因此从仿生学角度分析，微纳略可以扩大微纳马达的作用尺寸，提高作用效果，在面对大尺度环境污染，输送大尺度物体时具有突出的应用。众多集群机理中机理可将宏观光场分布转换为浓度场分布，可用于设计集群策略马达应用领域方面具有优势。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文综上，为了促进相关学科的发展，提高对生物自组织集群行为的认识，单一微纳马达无法在大面积、大尺度、大负载环境下发挥作用的难题，本光驱扩散泳微纳马达为切入点，深入研究扩散泳微纳马达在不同介质环境集群行为，为拓展光驱微纳马达在生物医疗领域及微机械系统领域的应用基础。.2 光驱扩散泳微纳马达研究现状近几个世纪以来，扩散泳被认为是理解晦涩，要求苛刻的实验现象[40]。在化学实验室、人体、地层等环境中，基于扩散泳机理的微观输运现象普遍由于微纳尺度粘滞力作用，微观输运的应用领域受到了限制。因此，研究泳本身有助于为微纳尺度输送提供新的灵感，研究光驱扩散泳微纳马达则前沿科学结合，为微纳马达领域的发展提供新的契机。
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