一种微纳米马达集群的动态控制方法技术

本发明专利技术公开了一种微纳米马达集群的动态控制方法。包括以下步骤：将TiO2微纳米粒子分散于双氧水溶液中，然后置于两块电极基板之间；所述电极基板连接交变电流，在临近电极基板表面处形成TiO2微纳米马达集群，并通过调节交变电流的电压和频率的大小来控制TiO2微纳米马达集群的形态以及大小；通过控制光照的方向和强弱实现TiO2微纳米粒子集群的驱动。本发明专利技术克服现有技术对微纳米马达集群控制方法和功能单一、控制集群运动行为存在局限性的问题，提供一种对微纳米马达集群形态的动态可控，且对其运动行为能实现高时空分辨率控制的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种微纳米马达集群的动态控制方法
本专利技术属于材料
，具体涉及一种微纳米马达集群的动态控制方法。
技术介绍
微纳米马达是将其他能量转化为动能，能在液体介质中完成包括药物运输、蛋白质和细胞的分离和环境治理等各种复杂任务在内的微型装置(NanoToday2013,8(5):531-554；ACSNano2012,6(7),6122-6132；SoftMatter2011,7(18),8169-8181)。自2004年开始报道合成微纳米马达以来，微纳米马达在机理研究和发展应用领域已经取得了许多重大进展(J.Am.Chem.Soc.2004,126,13424-13431)。而与生物体的蛋白质组装类似，将简单的个体微纳米马达单元组装成复杂的“集群”结构是实现微纳米马达的多功能应用的必要条件之一(AccountsofChemicalResearch,2015,48(7):1938)。WentaoDuan就通过加入或除去NH3，利用OH-的扩散泳来控制正磷酸银粒子集群的形成或分散(Dissertations&Theses-Gradworks,2015)；JingYan利用介电泳，通过改变施加电场的电压以及频率来控制双面神粒子实现链接或集群等行为(NatureMaterials,2016,15(10),1095)。从以上研究可以看出，虽然改变化学信号或电信号等单一变量能实现微纳米马达集群化或改变集群形态，但由于控制方法单一，造成其只能实现集群化或改变集群形态等单一功能。为了改善集群的控制条件，DanielAhmed利用磁场将顺磁性粒子组装成集群，再利用超声场使集群沿着边界方向发生滚动来控制其方向(NatureCommunications,2017,8(1))，但集群只能沿着边界移动也显示出了其控制的局限性。
技术实现思路
本专利技术目的是克服现有对微纳米马达集群控制方法和功能单一、控制集群运动行为存在局限性的问题，提供一种对微纳米马达集群形态的动态可控，且对其运动行为能实现高时空分辨率控制的方法。为达到上述目的，采用技术方案如下：一种微纳米马达集群的动态控制方法，包括以下步骤：将TiO2微纳米粒子分散于双氧水溶液中，然后置于两块电极基板之间；所述电极基板连接交变电流，在临近电极基板表面处形成TiO2微纳米马达集群，并通过调节交变电流的电压和频率的大小来控制TiO2微纳米马达集群的形态以及大小；通过控制光照的方向和强弱实现TiO2微纳米粒子集群的驱动。按上述方案，双氧水溶液中3<pH<5.6。按上述方案，所述的电极基板为阻抗小于6Ω/cm2的固体介质材料。按上述方案，所述电极基板为ITO玻璃。按上述方案，所述交变电场电压在1V-15V之间，频率在50Hz-1MHz之间。按上述方案，通过调节交变电场电压在2V-11.5V范围内增大，实现TiO2微纳米马达集群由小到大的控制。按上述方案，通过调节交变电场频率在100Hz-5000Hz范围内增大，实现TiO2微纳米马达集群由大到小的控制。按上述方案，通过2V-11.5V范围内增大电压、5000Hz-100Hz范围内减小频率、500mW-100mW范围内减小光照功率实现TiO2微纳米马达集群紧密程度由松到紧的控制。按上述方案，通过11.5V-2V范围内减小电压、100Hz-5000Hz范围内增大频率、100mW-500mW范围内增加光照功率实现TiO2微纳米马达集群紧密程度由紧到松的控制。按上述方案，通过改变光照方向实现对TiO2微纳米粒子集群驱动方向的控制；通过改变光照功率大小实现对TiO2微纳米马达集群速度大小的控制。本专利技术能使TiO2微纳米马达形成集群的机理为电动流。在3<PH<5.6的溶液条件下，当施加垂直ITO玻璃表面的交变信号时，TiO2微纳米马达的存在扰动了底部ITO玻璃表面电极附近的局部电场，并且这些扰动在电极极化层上的作用产生了指向每个马达的流体运动。相邻的马达在它们各自的流动中相互夹带，从而形成马达集群。本专利技术相对于现有技术有益效果如下：本专利技术克服现有技术对微纳米马达集群控制方法和功能单一、控制集群运动行为存在局限性的问题，提供一种对微纳米马达集群形态的动态可控，且对其运动行为能实现高时空分辨率控制的方法。附图说明图1：结构装置图；图2：TiO2微纳米马达的扫描电镜图。图3：TiO2微纳米马达在紫外光照下的运动轨迹图。图4：TiO2微纳米马达在交变电压下的聚集轨迹图。图5：TiO2微纳米马达在交变电压及紫外光照下粒子聚集及分散过程以及粒子数比例随时间的变化曲线图。图6：电动流机理示意图以及TiO2微米马达分别在H2O2、H2O、Na2CO3环境下交变电压的示意图。图7：TiO2微纳米马达集群形态大小随电压和频率的改变而变化的示意图和曲线图。图8：TiO2微纳米马达集群在交变电压和频率不变，紫外光照方向发生改变的移动轨迹图。图9：TiO2微纳米马达集群在电压和光照条件不变，频率发生改变时的形态变化轨迹图。具体实施方式以下实施例进一步阐释本专利技术的技术方案，但不作为对本专利技术保护范围的限制。本专利技术的结构装置如图1所示，在用厚度小于800μm的绝缘层隔开的两块ITO玻璃间输入交变信号，并在玻璃一侧输入与ITO玻璃呈0°-90°夹角的紫外光信号(输出功率100mW<P<1W)，便可得到本专利技术的控制平台。将不同的TiO2微纳米马达粒子置于扫描电子显微镜(SEM,S-4800,HitachiCo.,Ltd.,Japan)下进行显微形貌表征，结果如图2所示。本专利技术基于交变电场和光控制TiO2微纳米马达集群运动，其运动控制方法如下：将由浓度小于5mg/mL的TiO2微纳米马达粒子分散质量分数小于5wt％双氧水燃料中，输入功率低于500mW/cm2的紫外光信号，便可得到TiO2微纳米马达粒子的运动轨迹图，如图3所示，其平均运动速度约为4μm/s-11.17μm/s。将由TiO2微纳米粒子配置浓度低于0.5mg/mL并分散至质量分数小于5wt.％双氧水燃料中，输入电压U>2V，频率50Hz<f<5000Hz，便可使TiO2微纳米马达形成集群，形成集群所需时间大约为5s，过程如图4所示。将TiO2微纳米粒子配置浓度低于0.5mg/mL并分散至质量分数小于5wt.％双氧水燃料中，先输入电压U>2V，频率50Hz<f<5000Hz，使TiO2微纳米马达形成集群，此时再输入角度介于0°-90°，功率低于500mW/cm2的紫外光信号，然后再同时取消光、电信号的输入，让TiO2微纳米马达粒子在无信号的情况下作布朗运动，直至TiO2微纳米粒子分布恢复原状。便可得到TiO2微纳米马达粒子聚集及分散过程以及粒子数比例(初始时刻的粒子数N0与任意时刻的粒子数NX之比)随时间的变化曲线图，如图5所示。从图中可以看出，光、电信号的输入不仅能控制TiO2微纳米马达集群，而且在光、电信号撤销后其TiO2微纳米马达粒子能恢复到输入信号前的状态，证明此控制方法可实现微纳米马达循环可逆的多次利用，大大节约了加工成本。本专利技术能使T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于包括以下步骤：将TiO2微纳米粒子分散于双氧水溶液中，然后置于两块电极基板之间；所述电极基板连接交变电流，在临近电极基板表面处形成TiO2微纳米马达集群，并通过调节交变电流的电压和频率的大小来控制TiO2微纳米马达集群的形态以及大小；通过控制光照的方向和强弱实现TiO2微纳米粒子集群的驱动。

【技术特征摘要】
1.一种微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于包括以下步骤：将TiO2微纳米粒子分散于双氧水溶液中，然后置于两块电极基板之间；所述电极基板连接交变电流，在临近电极基板表面处形成TiO2微纳米马达集群，并通过调节交变电流的电压和频率的大小来控制TiO2微纳米马达集群的形态以及大小；通过控制光照的方向和强弱实现TiO2微纳米粒子集群的驱动。2.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于双氧水溶液中溶液3<pH<5.6。3.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于所所述的电极基板为阻抗小于6Ω/cm2的固体介质材料。4.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于所述电极基板为ITO玻璃。5.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于所述交变电场电压在1V-15V之间，频率在50Hz-1MHz之间。6.如权利要求1所述微纳米马达集群的动态控制方法，其特征在于通过调节交变电场电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟方志，黄真，官建国，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42