南科大机械系胡程志团队在光催化微纳米机器人控制上取得新进展
发布时间：2021-07-28
近日，南方科技大学机械与能源工程系胡程志副教授课题组受到电偶极子在电场作用下自对准行为的启发，设计、制备并研究了电偶极距诱导的光催化ZnO/Pt Janus微纳米机器人的趋光性行为。相关研究成果以“具有Janus结构的ZnO/Pt微纳米机器人的无燃料驱动及其偶极矩诱导的趋光性”(Dipole-Moment Induced Phototaxis and Fuel-Free Propulsion of ZnO/Pt Janus micromotors)为题发表于国际权威期刊《Small》。
微纳米机器人是一种可以在外部能量（光能、电能、声能、磁能或者化学能）的作用下实现自主运动的微型器件。得益于体积小、运动可控性强等优势，微纳米机器人可以穿行于复杂的微流道或狭小的空间，在环境处理、药物递送、细胞操作等多个领域展现出广阔的应用前景。其中，光驱微纳米机器人可以将光能转换为机械能，由于其运动行为可以利用光的内在属性进行调控，如光的波长、强度、偏振态等，光驱微纳米机器人的高度可控性和可编程性吸引了国内外学者的广泛关注。光催化微纳米机器人是一种基于半导体材料光催化反应而产生运动的光驱微机器人。近年来，由于光催化反应及驱动机制相对清楚，同时半导体光催化材料的制备也相对简单，光催化微纳米机器人在近十年来成为了研究热点。
双面神(Janus)结构是光催化微纳米机器人最常见的结构之一，即在光催化半导体微球的表面镀上一半薄层贵金属材料(如Au、Pt)。这种Janus结构有利于光生载流子在微纳米机器人表面高效分离，从而提升驱动效率。然而，这种不对称的Janus结构也决定了微纳米机器人的运动方向总与金属侧的朝向保持一致，而布朗运动会随机扰乱金属侧的朝向，最终导致光催化微纳米机器人的运动方向具有不可控性。在许多的应用场景中，方向可控性是微纳米机器人执行任务的重要前提，例如，微纳操作、细胞递送与释放等。因此，实现对具有Janus结构的光催化微纳米机器人方向控制是目前光驱微纳米机器人领域面临的挑战之一。
Zeta电位在微纳米机器人两个半球上的不均匀分布形成了电位偶极子，偶极子的大小可以用偶极矩表示,其中p=（ζZnO-ζPt）/4，方向由Pt指向ZnO。偶极子在光生电场作用下能通过旋转电泳抑制由布朗运动产生的旋转扩散运动，直到偶极子旋转至平行于光照方向，偶极子达到平衡状态。因此无论微纳米机器人的起始状态如何，具有强偶极矩的ZnO/Pt 微纳米机器人(约为8.82 mV)能迅速调整自己的朝向，旋转至平行于光照方向，并沿着光照的方向运动，展现出持续的避光运动。
图1. (a)原始的ZnO/Pt微纳米机器人在光照下的“U”型轨迹图，(b)微纳米机器人在不同起始状态下的自校准行为，微纳米机器人可以调整自己的朝向，并最终与外部光照的方向一致。
为了进一步验证这一机制，研究团队通过使用柠檬酸钠对ZnO/Pt微纳米机器人进行表面处理，将ZnO/Pt 微纳米机器人的偶极矩缩小至1.01 mV。由于旋转电泳力正比于偶极矩的大小，当偶极矩被缩小，微纳米机器人的旋转电泳力不足以完全抑制旋转扩散运动，经柠檬酸钠修饰过的ZnO/Pt 微纳米机器人只能展现出杂乱无章的运动，其运动方向并不受光照方向控制。
图2. 所提出的偶极矩诱导趋光性机制以及实验验证：当微纳米机器人具有强偶极矩(8.82 mV)时，ZnO/Pt微纳米机器人表现出负的趋光性，通过调控光照方向，微纳米机器人可以走出沟道或者三角形，并始终保持Pt半球朝着光源；当微纳米机器人具有弱偶极矩（1.01 mV）时，在固定方向的光照下，微纳米机器人呈现出曲折的运动轨迹，其朝向也是一直发生变化。
另外，该团队为了证实所提出的方向控制策略对于光催化微纳米机器人具有一定的普适性，他们选用了两种目前文献中常见的光催化微纳米机器人：TiO2/Pt和CdS/Pt，并使用柠檬酸钠和APTES对这两种微纳米机器人进行表面处理去调节偶极矩的大小。这两种微纳米机器人与ZnO/Pt一样，当具有强偶极矩的时候，表现出良好的方向可控性；当偶极矩较小时，微纳米机器人的运动方向不可控。
图3. TiO2/Pt和CdS/Pt微纳米机器人在不同偶极矩状态下的运动行为。
南科大机械与能源工程系博士研究生何小丽为该论文的第一作者，博士生蒋怀德、马艳梅等对论文做出了重要贡献。胡程志为本论文的唯一通讯作者,南科大为论文通讯单位。感谢南方科技大学王帅副教授对使用聚焦离子束显微镜切割样本所提供的技术支持。该研究项目获得了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科学创新委员会、深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室、广东省普通高校人体增强与康复机器人重点实验室的资助。
文章链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202101388
供稿：胡程志课题组
编辑：邓苏
微纳米机器人是一种可以在外部能量（光能、电能、声能、磁能或者化学能）的作用下实现自主运动的微型器件。得益于体积小、运动可控性强等优势，微纳米机器人可以穿行于复杂的微流道或狭小的空间，在环境处理、药物递送、细胞操作等多个领域展现出广阔的应用前景。其中，光驱微纳米机器人可以将光能转换为机械能，由于其运动行为可以利用光的内在属性进行调控，如光的波长、强度、偏振态等，光驱微纳米机器人的高度可控性和可编程性吸引了国内外学者的广泛关注。光催化微纳米机器人是一种基于半导体材料光催化反应而产生运动的光驱微机器人。近年来，由于光催化反应及驱动机制相对清楚，同时半导体光催化材料的制备也相对简单，光催化微纳米机器人在近十年来成为了研究热点。
双面神(Janus)结构是光催化微纳米机器人最常见的结构之一，即在光催化半导体微球的表面镀上一半薄层贵金属材料(如Au、Pt)。这种Janus结构有利于光生载流子在微纳米机器人表面高效分离，从而提升驱动效率。然而，这种不对称的Janus结构也决定了微纳米机器人的运动方向总与金属侧的朝向保持一致，而布朗运动会随机扰乱金属侧的朝向，最终导致光催化微纳米机器人的运动方向具有不可控性。在许多的应用场景中，方向可控性是微纳米机器人执行任务的重要前提，例如，微纳操作、细胞递送与释放等。因此，实现对具有Janus结构的光催化微纳米机器人方向控制是目前光驱微纳米机器人领域面临的挑战之一。
Zeta电位在微纳米机器人两个半球上的不均匀分布形成了电位偶极子，偶极子的大小可以用偶极矩表示,其中p=（ζZnO-ζPt）/4，方向由Pt指向ZnO。偶极子在光生电场作用下能通过旋转电泳抑制由布朗运动产生的旋转扩散运动，直到偶极子旋转至平行于光照方向，偶极子达到平衡状态。因此无论微纳米机器人的起始状态如何，具有强偶极矩的ZnO/Pt 微纳米机器人(约为8.82 mV)能迅速调整自己的朝向，旋转至平行于光照方向，并沿着光照的方向运动，展现出持续的避光运动。
图1. (a)原始的ZnO/Pt微纳米机器人在光照下的“U”型轨迹图，(b)微纳米机器人在不同起始状态下的自校准行为，微纳米机器人可以调整自己的朝向，并最终与外部光照的方向一致。
为了进一步验证这一机制，研究团队通过使用柠檬酸钠对ZnO/Pt微纳米机器人进行表面处理，将ZnO/Pt 微纳米机器人的偶极矩缩小至1.01 mV。由于旋转电泳力正比于偶极矩的大小，当偶极矩被缩小，微纳米机器人的旋转电泳力不足以完全抑制旋转扩散运动，经柠檬酸钠修饰过的ZnO/Pt 微纳米机器人只能展现出杂乱无章的运动，其运动方向并不受光照方向控制。
图2. 所提出的偶极矩诱导趋光性机制以及实验验证：当微纳米机器人具有强偶极矩(8.82 mV)时，ZnO/Pt微纳米机器人表现出负的趋光性，通过调控光照方向，微纳米机器人可以走出沟道或者三角形，并始终保持Pt半球朝着光源；当微纳米机器人具有弱偶极矩（1.01 mV）时，在固定方向的光照下，微纳米机器人呈现出曲折的运动轨迹，其朝向也是一直发生变化。
另外，该团队为了证实所提出的方向控制策略对于光催化微纳米机器人具有一定的普适性，他们选用了两种目前文献中常见的光催化微纳米机器人：TiO2/Pt和CdS/Pt，并使用柠檬酸钠和APTES对这两种微纳米机器人进行表面处理去调节偶极矩的大小。这两种微纳米机器人与ZnO/Pt一样，当具有强偶极矩的时候，表现出良好的方向可控性；当偶极矩较小时，微纳米机器人的运动方向不可控。
图3. TiO2/Pt和CdS/Pt微纳米机器人在不同偶极矩状态下的运动行为。
南科大机械与能源工程系博士研究生何小丽为该论文的第一作者，博士生蒋怀德、马艳梅等对论文做出了重要贡献。胡程志为本论文的唯一通讯作者,南科大为论文通讯单位。感谢南方科技大学王帅副教授对使用聚焦离子束显微镜切割样本所提供的技术支持。该研究项目获得了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科学创新委员会、深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室、广东省普通高校人体增强与康复机器人重点实验室的资助。
文章链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202101388
供稿：胡程志课题组
编辑：邓苏