一种气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种气泡驱动的Janus微球‑水凝胶二级马达及其制备方法。该马达为自携燃料式二级马达，Fe

Janus two motor hydrogel microspheres and preparation method of a bubble driven

The present invention discloses Janus microspheres hydrogel two motor and a preparation method thereof bubble driven. The motor is a self powered two stage motor, Fe

【技术实现步骤摘要】
一种气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达及其制备方法
本专利技术属功能高分子材料领域，具体涉及一种金属催化H2O2分解生成气泡快速驱动的Janus微球-水凝胶二级马达及其制备方法。
技术介绍
近十年来，催化微马达尤其是管状催化微马达的出现和发展给微纳机器的发展带来了重大的突破，给人造微纳机器系统在生物医药等领域的实际应用带来了巨大的希望。这种催化微纳马达，模仿天然分子马达，以过氧化氢溶液为燃料，利用原位的催化反应将化学能转化为机械能，在液体中实现自驱动。而相比于合成分子马达，催化微纳马达具有合成和制备简单、大小可控、运动速度极快、工作寿命长、环境要求较低、便于功能化和集成化的特点。而二级马达是将第二级马达封装负载在第一级马达中，在第一级马达运动过程中分解释放第二级马达，能够精确控制第一级马达的运动和第二级马达的释放；同时，能够保护第二级马达在运输过程中不受环境的影响。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达，该马达为自携燃料式二级马达，采用Fe3+交联的物理水凝胶马达作为第一级马达，聚苯乙烯微球表面负载Pt催化剂形成Janus微马达作为第二级马达；在H2O2溶液环境中，Ag催化H2O2分解产生气泡，具有强大驱动力，驱动二级马达运动；同时，Fe3+交联的Janus微马达-水凝胶二级马达在H2O2环境中自分解释放出第二级马达，即Janus微马达，Janus微马达中Pt催化H2O2分解产生气泡，驱动Janus微马达运动。该气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达有较强的运动调控能力和环境适应性，初始速度达到20mm/s，运动时间高达8min，具有良好的应用前景。本专利技术目的还在于提供所述的一种气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达的制备方法，该方法利用溅射镀膜法将Pt催化剂负载在聚苯乙烯（PS）微球表面形成Janus微马达，基于水凝胶的原位聚合凝胶化和原位合成法，将Janus微马达封装在水凝胶基体中，采用浸泡法得到Fe3+物理交联的Janus微马达-水凝胶，且将Ag催化剂负载在Fe3+交联的Janus微马达-水凝胶基体表面，形成二级马达；该制备方法工艺简单，制备条件温和，设备要求低，适用于工业化生产。本专利技术目的通过如下技术方案实现。一种气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）取聚苯乙烯微球分散液分散在乙醇中，超声处理分散均匀后，用移液枪移取至玻璃基板上，自然条件下干燥，放入溅射镀膜仪中镀Pt薄层，形成Janus微马达，并通过在乙醇中超声取下玻璃板上的Janus微马达，干燥；（2）取锂澡土并分散在去离子水中，搅拌分散均匀，得到锂澡土分散液；（3）将水凝胶单体和Janus微马达加入锂澡土分散液中，搅拌使水凝胶单体溶解，并使Janus微马达均匀分散在水凝胶单体溶解的锂澡土分散液中，通氮气除氧；（4）在步骤（3）最终得到的混合溶液中加入交联剂和引发剂，并搅拌混合均匀；（5）将步骤（4）最终得到的混合溶液置于所需马达形状对应的模具中并密封，保温反应，得到Janus微马达-水凝胶，置于Fe3+溶液中浸泡后，再于去离子水中浸泡，得到Fe3+物理交联的Janus微马达-水凝胶；（6）利用银氨溶液原位生成Ag的方法在步骤（5）得到的Fe3+物理交联的Janus微马达-水凝胶表面上负载上Ag催化剂，得到所述气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达。进一步地，步骤（1）中，所述聚苯乙烯微球分散液中，聚苯乙烯的质量分数为2.5-5%，聚苯乙烯微球的直径为2-2.9μm或者8-8.9μm。进一步地，步骤（1）中，聚苯乙烯分散液分散在乙醇过程中，聚苯乙烯分散液相对于乙醇的体积分数为10-20%。进一步地，步骤（1）中，所述超声的时间为10-20min。进一步地，步骤（1）中，所述自然条件下干燥的时间为2-4h。进一步地，步骤（1）中，溅射镀膜仪中镀Pt薄层的时间为60~240s。进一步地，步骤（2）中，所述锂澡土作为水凝胶的物理交联点，锂澡土相对于去离子水的质量分数为0.5%~2%。进一步地，步骤（2）中，所述搅拌分散的时间至少30min。进一步地，步骤（3）中，所述水凝胶单体为双组份水溶性的单体，一类单体为带有双键、羧酸基团的酸类单体，另一类单体为带有酰胺基团的酰胺类单体，通过原位聚合法均可得到水凝胶。进一步地，步骤（3）中，所述水凝胶单体为酸类单体和酰胺类单体的组合，酸类单体包括甲基丙烯酸或丙烯酸，酰胺类单体包括丙烯酰胺或异丙基丙烯酰胺。更进一步地，步骤（3）中，所述酸类单体相对于酰胺类单体的摩尔分数为10~30%。更进一步地，步骤（3）中，所述酸类单体相对于锂澡土分散液中的去离子水的质量分数为5~20%。进一步地，步骤（3）中，所述Janus微马达相对于锂澡土分散液中的去离子水的质量分数为0.1%～1%。进一步地，步骤（4）中，所述交联剂包括四甲基乙二胺或N,N,N',N'-四甲基乙二胺，交联剂相对于水凝胶单体的质量分数为0.5~3%。进一步地，步骤（4）中，所述引发剂包括过硫酸钾，引发剂相对于水凝胶单体的质量分数为0.1~2%。进一步地，步骤（5）中，所述保温反应是在35-50℃下反应10-20小时。进一步地，步骤（5）中，所述Fe3+溶液包括FeCl3溶液或FeSO4溶液。进一步地，步骤（5）中，所述Fe3+溶液中，Fe3+的浓度为0.05~1mol/L。进一步地，步骤（5）中，在Fe3+溶液中浸泡的时间为1~4小时。进一步地，步骤（5）中，在去离子水中浸泡的时间为12-24小时。由上述任一项制备方法制得的一种气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达，为自携燃料式二级马达，采用Fe3+交联的物理水凝胶马达作为第一级马达，聚苯乙烯微球表面负载Pt催化剂形成Janus微马达作为第二级马达。在H2O2溶液环境中，Ag催化H2O2分解产生气泡，具有强大驱动力，驱动二级马达运动；同时，Fe3+交联的Janus微马达-水凝胶二级马达在H2O2环境中自分解释放出第二级马达，即Janus微马达，Janus微马达中Pt催化H2O2分解产生气泡，驱动Janus微马达运动，整个过程均在H2O2环境中实现。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：（1）本专利技术首次制备了催化驱动的二级马达，第二级马达封装在第一级马达中，第一级马达采用软质的水凝胶，能够保护第二级微马达，同时当第一级马达分解后能够释放第二级马达，这种二级马达相比于传统的微纳马达不仅驱动速度快而且驱动时间长，两级马达的运动是在相同的环境中实现的，即二级马达驱动、分解释放驱动第二级马达；（2）本专利技术利用了水凝胶自身强大的封装能力，将Janus微马达引入到水凝胶中，最后将Ag催化剂负载在Janus微球-水凝胶基体表面，制造了Janus微球-水凝胶二级马达，制备的二级马达有较强的运动调控能力和环境适应性，初始速度达到20mm/s，运动时间高达8min，具有良好的应用前景；（3）本专利技术采用软质的水凝胶马达（第一级）作为第二级马达的运输系统，不仅能够控制第二级马达的释放，而且对第二级马达具有保护作用。（4）本专利技术采用简便并且低能耗的方式在Janus微马达-水凝胶基体表面负载驱动所需的Ag催化剂，高效的催本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气泡驱动的Janus微球‑水凝胶二级马达的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）取聚苯乙烯微球分散液分散在乙醇中，超声处理分散均匀后，用移液枪移取至玻璃基板上，自然条件下干燥，放入溅射镀膜仪中镀Pt薄层，形成Janus微马达，并通过在乙醇中超声取下玻璃板上的Janus微马达，干燥；（2）取锂澡土并分散在去离子水中，搅拌分散均匀，得到锂澡土分散液；（3）将水凝胶单体和Janus微马达加入锂澡土分散液中，搅拌使水凝胶单体溶解，并使Janus微马达均匀分散在水凝胶单体溶解的锂澡土分散液中，通氮气除氧；（4）在步骤（3）最终得到的混合溶液中加入交联剂和引发剂，并搅拌混合均匀；（5）将步骤（4）最终得到的混合溶液置于所需马达形状对应的模具中并密封，保温反应，得到Janus微马达‑水凝胶，置于Fe

【技术特征摘要】
1.一种气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）取聚苯乙烯微球分散液分散在乙醇中，超声处理分散均匀后，用移液枪移取至玻璃基板上，自然条件下干燥，放入溅射镀膜仪中镀Pt薄层，形成Janus微马达，并通过在乙醇中超声取下玻璃板上的Janus微马达，干燥；（2）取锂澡土并分散在去离子水中，搅拌分散均匀，得到锂澡土分散液；（3）将水凝胶单体和Janus微马达加入锂澡土分散液中，搅拌使水凝胶单体溶解，并使Janus微马达均匀分散在水凝胶单体溶解的锂澡土分散液中，通氮气除氧；（4）在步骤（3）最终得到的混合溶液中加入交联剂和引发剂，并搅拌混合均匀；（5）将步骤（4）最终得到的混合溶液置于所需马达形状对应的模具中并密封，保温反应，得到Janus微马达-水凝胶，置于Fe3+溶液中浸泡后，再于去离子水中浸泡，得到Fe3+物理交联的Janus微马达-水凝胶；（6）利用银氨溶液原位生成Ag的方法在步骤（5）得到的Fe3+物理交联的Janus微马达-水凝胶表面上负载上Ag催化剂，得到所述气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达。2.根据权利要求1所述的一种气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述超声处理的时间为10-20min。3.根据权利要求1所述的一种气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述聚苯乙烯微球分散液中，聚苯乙烯的质量分数为2.5-5%，聚苯乙烯微球的直径为2-2.9μm或者8-8.9μm。4.根据权利要求1所述的一种气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述自然条件下干燥的时间为2-4h；溅射镀膜仪中镀Pt薄层的时间为60~240s；聚苯乙烯分散液分散在乙醇过程中，聚苯乙烯分散液相对于乙醇的体积分数为10~20%。5.根据权利要求1所述的一种气泡驱动的Janus微球-水凝胶二级马达的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述锂澡土作为水凝胶的物理交联点，锂澡土相对于去离子水的质量分数为0.5%~2%；所述搅拌分散的时间至少3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朝阳，梁玉玲，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44