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文檔簡介
1、微納米馬達(dá)是一種能夠?qū)⒒瘜W(xué)能、光能、電能等能量轉(zhuǎn)化成動能的微納米裝置。它的出現(xiàn)為人類實現(xiàn)微觀尺度復(fù)雜任務(wù)打開了一扇大門。特別是化學(xué)驅(qū)動的微納米馬達(dá),能夠利用化學(xué)反應(yīng)獲得運動能量,通過表面功能化完成藥物輸送、傳感檢測以及微結(jié)構(gòu)的自組裝等功能。研究人員設(shè)計了多種微納米馬達(dá),實現(xiàn)了微納米馬達(dá)的運動控制和應(yīng)用。但如何設(shè)計微納米馬達(dá)實現(xiàn)更快速的運動、更大的推動力是當(dāng)前微納米馬達(dá)研究的熱點和難點。
本文針對化學(xué)驅(qū)動微納米馬達(dá)的濃度梯度驅(qū)動
2、機制和氣泡驅(qū)動機制,以雙球型微納米馬達(dá)、線型微納米馬達(dá)和錐管狀微納米馬達(dá)為研究對象,通過理論分析、分子動力學(xué)仿真和實驗相結(jié)合的方法,對兩種驅(qū)動機制進行研究,揭示出不同驅(qū)動機制下微納米馬達(dá)的運動規(guī)律,并研制出一種測量微流體的粘度計。
為掌握不同參數(shù)對微納米馬達(dá)運動的影響,本文基于分子動力學(xué)和多粒子碰撞理論建立了一種雙球型微納米馬達(dá)模型并進行了理論與仿真分析,通過對模型參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整實現(xiàn)了雙球型微納米馬達(dá)的定向運動。運用仿真分析
3、的方法,研究了介質(zhì)環(huán)境的溫度以及溶劑濃度對雙球型微納米馬達(dá)運動的影響規(guī)律。隨著溫度增加,微納米馬達(dá)的運動速度增大,運動速度隨溫度的增加呈線性變化。同時,馬達(dá)的運動速度隨介質(zhì)環(huán)境中粒子濃度的增加而增大。
為實現(xiàn)納米線馬達(dá)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,本文提出了一種線型微納米馬達(dá)模型。模型由兩種不同材質(zhì)的微納米線組成,分別稱為催化段和非催化段,兩段之間采用剛性固定連接,結(jié)合有限元思想,將微納米馬達(dá)與溶劑粒子的作用力視作每個單元與粒子作用力的合力
4、。本文分析了微納米馬達(dá)的運動過程以及運動中溶劑粒子和微納米馬達(dá)的相互作用,研究了溫度、溶劑濃度、模型尺寸和材料比例對線型微納米馬達(dá)運動速度的影響。隨著溫度增加,微納米馬達(dá)運動速度增加,溶液濃度增加,納米馬達(dá)的運動速度增加。在一定的范圍內(nèi),線型微納米馬達(dá)的運動速度不受馬達(dá)的長度的影響,但長度增加,納米線馬達(dá)的質(zhì)量增加,加速度會隨之減小。納米線長度不變,隨著催化段和非催化段長度的比例比例的增加,納米馬達(dá)的驅(qū)動力先增加后減小,速度也隨之先增大
5、后減小。
為驗證理論研究和仿真的正確性,進一步揭示微納米馬達(dá)運動規(guī)律,本文制備了Pt覆蓋的雙球型微米馬達(dá)以及Au/Pt納米線馬達(dá),并研究了馬達(dá)結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境因素對馬達(dá)運動速度的影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)介質(zhì)環(huán)境的溶液濃度過低時,微納米馬達(dá)產(chǎn)生的驅(qū)動力將不足以克服馬達(dá)的布朗運動,馬達(dá)發(fā)生波動而非定向運動,微納米馬達(dá)的驅(qū)動力隨著濃度的增加而增大,運動速度隨著濃度的增加而增大。在相同濃度下,雙面球型微納米馬達(dá)的直徑越大速度越慢,但是運動受到布
6、朗運動的影響越小,軌跡越平穩(wěn)。Au/Pt納米線馬達(dá)尺寸越長,受到的影響越小,運動越穩(wěn)定,但是運動速度幾乎不受長度的影響。
為研究錐管狀微納米馬達(dá)的驅(qū)動機制,本文分析了氣泡在錐管狀微納米馬達(dá)內(nèi)部的變化,建立了運動速度與溶液粘度的關(guān)系。利用模板電沉積方法,制備了一種氣泡驅(qū)動的微納米馬達(dá)。實驗表明粘度越大微納米馬達(dá)運動速度越小,生成的氣泡數(shù)量越少,氣泡直徑越大?;谖⒓{米馬達(dá)的運動規(guī)律,提出了一種利用微納米馬達(dá)測量微流體粘度的方法,
7、實驗研究表明微納米馬達(dá)的運動速度隨粘度的增加,呈線性降低的變化趨勢。實驗結(jié)果與計算結(jié)果有很好的一致性,且在在不同的H2O2濃度下,微納米馬達(dá)的運動速度和粘度的線性變化關(guān)系不變。
綜上所述,本文通過仿真分析與實驗研究相結(jié)合的方法,研究了化學(xué)驅(qū)動微納米馬達(dá)的濃度梯度驅(qū)動機制和氣泡驅(qū)動機制,揭示了介質(zhì)環(huán)境中的溫度、溶劑濃度、微納米馬達(dá)結(jié)構(gòu)尺寸對馬達(dá)運動速度的影響規(guī)律,制備了雙面球型微米馬達(dá)以及Au/Pt納米線馬達(dá),驗證了仿真的正確性
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