河北马达维修培训学校

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编者按：近年来分子机械作为一种多学科交叉的新兴技术，得到越来越多学者的关注。得助于纳米技术的突飞猛进，多种微纳马达（Micro/Nanomotor）被研制出来，它们能够在微纳米这样小的尺度上将化学能等能量转化为机械能，实现驱动、控制等多方面的功能。Janus双面微纳马达和气泡微机器人便是其中的例子。本文介绍了力学所非线性力学国家重点实验室的微纳流动课题组在这个领域取得的若干进展。 

Janus微纳马达和气泡微机器人

郑旭

　　2016年诺贝尔化学奖授予了三位学者：法国的让-皮埃尔·索瓦日（Sauvage），美国的弗雷泽·斯托达特（Stoddart）以及荷兰的伯纳德·L·费林加（Feringa），以奖励他们在分子机械（molecular machines）领域做出的杰出贡献。在自然界中，有一个典型的天然分子机械是生物体内的分子马达（molecular motor）ATP合成酶。ATP是各种活细胞内普遍存在的一种高能磷酸化合物“三磷酸腺苷”的英文缩写，ATP合成酶通过催化反应将ADP(二磷酸腺苷)合成为ATP并释放化学能，以维持细胞新陈代谢等各种生命活动。生命体的一切活动，包括肌肉收缩、物质运输、DNA复制、细胞分裂等，追踪到分子水平，都是来源于具有马达功能的蛋白质大分子做功、推送的结果，因此它们被称为分子马达或蛋白质马达。 

图1 ATP分子马达（图片来源：知乎网）

　　受到这些精妙的生物分子马达的启发，同时得益于纳米技术的突飞猛进，多种微纳马达（Micro/Nanomotor）被研制出来，它们能够在微纳米这样小的尺度上将化学能等能量转化为机械能，实现驱动、控制等多方面的功能[1]。 

　　作为微纳尺度的动力装置，微纳马达具有体积小、质量轻和驱动力大等优点，在传感检测、微纳加工和环境治理等方面表现出突出的优势，特别是在生物医疗领域展现了巨大应用前景[2-3]。大家可能还会记得，半个多世纪前科幻电影《Fantastic Voyage（神奇的旅程）》中，就曾出现能在人类血管中来回穿梭的纳米机器，它不仅可以抓取血红细胞，还可以递送药物、修复血管等。虽然科幻电影中的场景尚未完全实现，但这个新颖的设想一直激励着研究人员不断进取攻关。近年来，可以在胃部的胃酸环境中提供推进能量（propulsion in gastric fluid）进行体内药物递送（vivo drug-delivery）、杀灭细菌的微马达[4]（参见图2A），乃至已被临床应用的微窥镜磁控机器人[5]先后被研发成功（参见图2B），充分展示了微纳马达技术在生物医学领域的广阔应用前景。在图2B中，我们示出了香港中文大学开发的一个内窥镜（Endoscopic view）与超声跟踪（ultrasound tracking）的组合系统，它采用磁场单元（Magnetic field unit）来控制软体机器人（Soft robots），向胆管（Bile duct）传送药物，其递送速度可达每分钟2毫米。在这些应用中，生物体液等复杂流体环境中微纳马达的运动机理和力学规律是一个关键的基础问题，也被认为是纳米尺度下的“火箭科学”（rocket science at the nanoscale）[6]。 

图2 (A) 微马达胃部药物递送[4]；(B)微窥镜磁控机器人[5]

　　微纳马达种类众多，这篇文章主要介绍Janus双面微纳马达。本世纪初，美国哈佛大学的Whitesides课题组[7]以及美国帕克大学的Sen和Mallouk课题组[8]做出了这个领域的开创性工作，他们制备了以过氧化物为燃料的柱状微纳马达。在此基础上，金属-绝缘体（如Pt-SiO2）双面结构的球形微纳马达开始发展起来，它们的共同特点是通过铂（Pt）等金属的催化性来消耗溶液中的“燃料”物质，将化学能转变为马达前进的机械能，仅通过建立局部的梯度场来实现自驱动。这类燃料常采用过氧化氢H2O2，它可以发生催化分解反应2H2O2？2H2O+O2（参见图3A）。由于这类微纳马达往往由表面物理化学属性相异的两部分组成，因此人们借用古希腊的两面神“Janus”来命名。事实上，1991年诺贝尔物理奖得主德·热纳（de Gennes）在他的获奖演讲中就曾提及利用Janus微球的两面异性来建立局部浓度场、电场或温度场的想法。相应地，利用局部有空间变化的（或称之为“梯度”）浓度场、电场、温度场来实现微纳马达的自驱动运动（参见图3B），分别被称为自扩散泳(self-diffusiophoresis)、自电泳(self-electrophoresis)或自热泳(self-thermophoresis)。所谓泳动(phoretic motion)，是指颗粒在外场梯度下的定向迁移，它们的名称前加上“自”是因为此时物理场是自发生成的而不是外加的。此外，在一定条件下反应生成的氧气会形成微气泡，形成通过气泡推进的微马达[9]。 

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