能光控气泡驱动的单组分TiO2管状微米引擎

微纳米发动机(Micro/Nano-Motors)是一类尺寸在微米或纳米尺度,能将其它形式能量转化为自身动能的器件。因其具有独特的自主运动特性,它可在液相介质中“主动”装载、运输和释放各种微纳米“货物”,在药物运输、细胞分离、微手术及环境检测与治理等方面有重要的应用前景。催化气泡驱动型管状微米引擎作为一种典型的微纳米发动机,具有驱动力大、运动速率高、寿命长和不受环境离子浓度影响等优势,因而近年来引起了人们极大的研究兴趣。然而现有的催化气泡驱动型管状微米引擎均为多层结构,其制备技术不仅工艺复杂、设备昂贵、对环境要求苛刻,而且仅能通过气相沉积多层膜自卷曲和层层模板电沉积技术来实现小批量制备,这严重限制了其工程应用。因此,简化管状微米引擎的结构和开发其规模化制备技术成为了推进微纳米发动机发展和规模化应用中最为急迫的问题之一。

针对这些问题,中国武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室的牟方志博士、副研究员和李雁硕士等研究人员在教育部长江学者特聘教授官建国博士的带领下,取得了重要研究进展,首次研制出了结构简单、能光控气泡驱动的单组分TiO2管状微米引擎,并采用简易、成熟的干法纺丝技术实现了批量制备。相关结果发表在Small(http://dx.doi.org/10.1002/smll.201403372)上。

锐钛矿型TiO2是一种低成本、高活性和稳定性的光催化剂,在紫外光照条件下可催化分解双氧水生成氧气。通过计算TiO2光催化分解H2O2产生的氧分子在微米管管内受限空间和管外无限空间的扩散行为和浓度分布情况,以及气体分子在其管内外表面的成核自由能的差异,该课题组发现如果控制TiO2微米管的管径和长度,当其受到紫外光照时,光催化分解H2O2产生的氧分子将优先在管内壁成核生长形成气泡并由管口喷出产生驱动力,有望开发出较现有管状微米引擎不仅结构更为简单,而且能光控气泡驱动的管状微米引擎。因此他们发展了锐钛矿型TiO2微米管的干法纺丝-热处理技术,低成本地批量制备了这种锐钛矿型TiO2微米管引擎。研究发现这种结构简单的单组份TiO2微米引擎在双氧水溶液中可方便地实现远程光控运动。它的启动、停止和运动速率均可通过调节照射紫外光的开关及强度进行简易、快速(响应时间<0.2 s)、可逆地进行控制。由于这种TiO2管状微米引擎不仅具有简单的结构,可用简易的干法纺丝法进行批量制备,而且运动可控,因而有望在“游动”光催化降解有机污染物和微生物控制等环境治理中大规模应用。另外,这种单层结构的微米引擎及其驱动机理的提出也可为未来简单结构的微纳发动机的研制及应用提供的新的思路。Untitled