Advanced Functional Materials:以银纳米线作尾巴的蝌蚪状微转子

自上世纪起,让微米甚至纳米尺寸的机器人在人体内自由穿行,运送药物,治疗疾病,就一直是科学家梦寐以求的能力。进入21世纪后,纳米技术蓬勃发展,微纳机器人应运而生。自主运动的特性赋予了微纳机器人在药物运输、生物诊断等领域广阔的应用前景,也引起了人们对微纳机器人极大的研究兴趣。微转子作为一种有着“超能力”——稳定圆周运动——的微纳机器人,不仅可以作为微搅拌器或微钻机在微流体、微创手术等领域发挥本领,也可以作为研究相分离、超均匀态等基础物理现象的理想模型。

目前,微转子主要有外场驱动和化学驱动两种类型。与外场驱动相比,化学驱动微转子可以独立自主地运动,无需搭建复杂的外场设备,在应用中更具竞争力。但目前对于化学驱动微转子的制备极为受限,多集中于光刻、物理气相沉积和电化学沉积等方法,这些工艺往往复杂而昂贵,不适用于大规模制备。因此寻找一种快速而高效的制备方法,对于微转子的研究具有重大意义。

在本工作中,王威课题组在聚苯乙烯(PS)微球上物理溅射一层金属铂(Pt),制得PS-Pt球,然后将其置于一定浓度的硝酸银和过氧化氢(H2O2)混合溶液中,室温反应10 min左右便能在Pt侧原位生长出超过30 μm的银纳米线尾巴(图1所示)。长有一个银尾巴的微球形状类似一个蝌蚪,因此被称作蝌蚪状微转子。

图1 蝌蚪状PS-Pt-银纳米线微转子的制备

同时,银纳米线只在PS-Pt 球的赤道处生长,针对这一实验现象,他们提出了银纳米线的电化学生长机理:物理溅射的Pt层厚薄不均,因此对H2O2的催化速率存在差异,从而产生一个由极点流向赤道的电子流,Ag+在赤道处得到电子被还原,继而生长成银纳米线。这一机理对二氧化钛(TiO2)光活性体系同样适用,在此基础上,他们实现了银纳米线在TiO2-Pt球上的光控生长(图2)。

图2 银纳米线的生长机理及光控生长

随后,他们研究了这种蝌蚪状微转子的运动行为后发现,微转子做圆周运动轨迹的曲率及角速度与银纳米线的长度密切相关,随着银纳米线的不断增长,轨迹曲率和角速度都呈现出先升高后下降的规律(图3)。

图3 不同长度银纳米线的蝌蚪状微转子的动力学行为

最后,他们指出,虽然本研究在制备此类蝌蚪状微转子方面已经取得了实质性的进展,但是银纳米线的形貌可控性以及蝌蚪状微转子的均一性仍有待提高。同时,利用该方法快速制备的银纳米线因为无表面活性剂残留,在传感器及柔性电子等领域同样拥有巨大的应用潜力。

本文工作发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.202004858)上,文章的第一作者是哈尔滨工业大学(深圳)材料学院硕士研究生吕相龙,共同通讯作者为王威教授和哈尔滨工业大学(深圳)柔性电子中心的马星教授。