化學(xué)驅(qū)動(dòng)微納米馬達(dá)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及應(yīng)用研究.pdf

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(dòng)能的微納米裝置。它的出現(xiàn)為人類(lèi)實(shí)現(xiàn)微觀尺度復(fù)雜任務(wù)打開(kāi)了一扇大門(mén)。特別是化學(xué)驅(qū)動(dòng)的微納米馬達(dá)，能夠利用化學(xué)反應(yīng)獲得運(yùn)動(dòng)能量，通過(guò)表面功能化完成藥物輸送、傳感檢測(cè)以及微結(jié)構(gòu)的自組裝等功能。研究人員設(shè)計(jì)了多種微納米馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)了微納米馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)控制和應(yīng)用。但如何設(shè)計(jì)微納米馬達(dá)實(shí)現(xiàn)更快速的運(yùn)動(dòng)、更大的推動(dòng)力是當(dāng)前微納米馬達(dá)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
　　本文針對(duì)化學(xué)驅(qū)動(dòng)微納米馬達(dá)的濃度梯度驅(qū)動(dòng)

2、機(jī)制和氣泡驅(qū)動(dòng)機(jī)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(duì)象，通過(guò)理論分析、分子動(dòng)力學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行研究，揭示出不同驅(qū)動(dòng)機(jī)制下微納米馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并研制出一種測(cè)量微流體的粘度計(jì)。
　　為掌握不同參數(shù)對(duì)微納米馬達(dá)運(yùn)動(dòng)的影響，本文基于分子動(dòng)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(jìn)行了理論與仿真分析，通過(guò)對(duì)模型參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整實(shí)現(xiàn)了雙球型微納米馬達(dá)的定向運(yùn)動(dòng)。運(yùn)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(duì)雙球型微納米馬達(dá)運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。隨著溫度增加，微納米馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度增大，運(yùn)動(dòng)速度隨溫度的增加呈線性變化。同時(shí)，馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度隨介質(zhì)環(huán)境中粒子濃度的增加而增大。
　　為實(shí)現(xiàn)納米線馬達(dá)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(chēng)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(gè)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(yùn)動(dòng)過(guò)程以及運(yùn)動(dòng)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(duì)線型微納米馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度的影響。隨著溫度增加，微納米馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度增加，溶液濃度增加，納米馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度增加。在一定的范圍內(nèi)，線型微納米馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度不受馬達(dá)的長(zhǎng)度的影響，但長(zhǎng)度增加，納米線馬達(dá)的質(zhì)量增加，加速度會(huì)隨之減小。納米線長(zhǎng)度不變，隨著催化段和非催化段長(zhǎng)度的比例比例的增加，納米馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力先增加后減小，速度也隨之先增大

5、后減小。
　　為驗(yàn)證理論研究和仿真的正確性，進(jìn)一步揭示微納米馬達(dá)運(yùn)動(dòng)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(duì)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)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(guò)低時(shí)，微納米馬達(dá)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力將不足以克服馬達(dá)的布朗運(yùn)動(dòng)，馬達(dá)發(fā)生波動(dòng)而非定向運(yùn)動(dòng)，微納米馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力隨著濃度的增加而增大，運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)受到布

6、朗運(yùn)動(dòng)的影響越小，軌跡越平穩(wěn)。Au/Pt納米線馬達(dá)尺寸越長(zhǎng)，受到的影響越小，運(yùn)動(dòng)越穩(wěn)定，但是運(yùn)動(dòng)速度幾乎不受長(zhǎng)度的影響。
　　為研究錐管狀微納米馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)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(dòng)的微納米馬達(dá)。實(shí)驗(yàn)表明粘度越大微納米馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度越小，生成的氣泡數(shù)量越少，氣泡直徑越大。基于微納米馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出了一種利用微納米馬達(dá)測(cè)量微流體粘度的方法，

7、實(shí)驗(yàn)研究表明微納米馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度隨粘度的增加，呈線性降低的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)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(yùn)動(dòng)速度和粘度的線性變化關(guān)系不變。
　　綜上所述，本文通過(guò)仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究了化學(xué)驅(qū)動(dòng)微納米馬達(dá)的濃度梯度驅(qū)動(dòng)機(jī)制和氣泡驅(qū)動(dòng)機(jī)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(duì)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)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(yàn)證了仿真的正確性