化學驅動微納米馬達運動規(guī)律及應用研究.pdf

1、微納米馬達是一種能夠將化學能、光能、電能等能量轉化成動能的微納米裝置。它的出現(xiàn)為人類實現(xiàn)微觀尺度復雜任務打開了一扇大門。特別是化學驅動的微納米馬達，能夠利用化學反應獲得運動能量，通過表面功能化完成藥物輸送、傳感檢測以及微結構的自組裝等功能。研究人員設計了多種微納米馬達，實現(xiàn)了微納米馬達的運動控制和應用。但如何設計微納米馬達實現(xiàn)更快速的運動、更大的推動力是當前微納米馬達研究的熱點和難點。
　　本文針對化學驅動微納米馬達的濃度梯度驅動

2、機制和氣泡驅動機制，以雙球型微納米馬達、線型微納米馬達和錐管狀微納米馬達為研究對象，通過理論分析、分子動力學仿真和實驗相結合的方法，對兩種驅動機制進行研究，揭示出不同驅動機制下微納米馬達的運動規(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)對微納米馬達運動的影響，本文基于分子動力學和多粒子碰撞理論建立了一種雙球型微納米馬達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運動的影響規(guī)律。隨著溫度增加，微納米馬達的運動速度增大，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)納米線馬達的結構優(yōu)化設計，本文提出了一種線型微納米馬達模型。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，結合有限元思想，將微納米馬達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的運動過程以及運動中溶劑粒子和微納米馬達的相互作用，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運動速度的影響。隨著溫度增加，微納米馬達運動速度增加，溶液濃度增加，納米馬達的運動速度增加。在一定的范圍內(nèi)，線型微納米馬達的運動速度不受馬達的長度的影響，但長度增加，納米線馬達的質(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，納米馬達的驅動力先增加后減小，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運動規(guī)律，本文制備了Pt覆蓋的雙球型微米馬達以及Au/Pt納米線馬達，并研究了馬達結構參數(shù)、環(huán)境因素對馬達運動速度的影響。研究發(fā)現(xiàn)當介質(zhì)環(huán)境的溶液濃度過低時，微納米馬達產(chǎn)生的驅動力將不足以克服馬達的布朗運動，馬達發(fā)生波動而非定向運動，微納米馬達的驅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的驅動機制，本文分析了氣泡在錐管狀微納米馬達內(nèi)部的變化，建立了運動速度與溶液粘度的關系。利用模板電沉積方法，制備了一種氣泡驅動的微納米馬達。實驗表明粘度越大微納米馬達運動速度越小，生成的氣泡數(shù)量越少，氣泡直徑越大。基于微納米馬達的運動規(guī)律，提出了一種利用微納米馬達測量微流體粘度的方法，

7、實驗研究表明微納米馬達的運動速度隨粘度的增加，呈線性降低的變化趨勢。實驗結果與計算結果有很好的一致性，且在在不同的H2O2濃度下，微納米馬達的運動速度和粘度的線性變化關系不變。
　　綜上所述，本文通過仿真分析與實驗研究相結合的方法，研究了化學驅動微納米馬達的濃度梯度驅動機制和氣泡驅動機制，揭示了介質(zhì)環(huán)境中的溫度、溶劑濃度、微納米馬達結構尺寸對馬達運動速度的影響規(guī)律，制備了雙面球型微米馬達以及Au/Pt納米線馬達，驗證了仿真的正確性