纳米发动机推进制造技术

提供了自推进的可编程纳米级发动机，其能够从吸收的光子中获取能量并经历随后的光电化学(PEC)反应。纳米发动机可以具有三维Janus配置并且可以感测光源的方向。通过用化学修饰控制纳米发动机的不同部分的ζ电势，可以将纳米发动机编程以显示正趋光性或负趋光性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纳米发动机推进相关申请的交叉引用本申请要求2015年12月16日提交的美国临时申请序列号62/268,352的利益，该临时申请在此通过引用并入其全部内容，包括任何图、表格或附图。专利技术背景在生物医学应用和许多低成本的纳米制造工艺中使用的纳米和微米发动机通常包括多种能够推向或推离源场(sourcefield)的微米和/或纳米颗粒复合材料。过去已证明了基于不同的推进机制的无机纳米发动机，所述推进机制包括例如自电泳、自扩散泳、气泡推进和自声泳(self-acoustophoresis)。为了远程控制纳米和微米发动机，铁磁材料的使用已经常并入发动机并可以响应于外部磁场被操纵和/或引导。在另一方面，光学操纵诸如光学镊子也已经被发现可用于控制纳米级机器，因为光场可以更好的精确度和准确度被设计和操纵。集体趋光行为已经在合成的无机Janus纳米颗粒中被观察到，这暗示了设计光学控制纳米机器人的可能性。然而，为了设计基于趋光现象的完全功能纳米机器人，关键是设计单独的纳米发动机，其运动可被调节和编程。简要概述主题的实施方案一般涉及自推进纳米发动机，术语“纳米发动机”在本申请的文本中与术语“Janus纳米树”是可互换的。本专利技术的实施方案提供了能够从吸收的光子收集能量并经历随后的光电化学(PEC)反应的纳米和微米级发动机。在一些实施方案中，具有三维Janus配置的纳米发动机(称为Janus纳米树)被提供，并且可以感测光源的方向。通过控制具有化学修饰的Janus纳米树的不同部分的ζ电势，Janus纳米树可被编程，以显示正趋光性或负趋光性。在进一步的实施方案中，纳米发动机可以包括具有p-n结的硅纳米线。基于硅纳米线的纳米发动机类似于它的Janus纳米树对应物，可以通过自电泳机制被推进。在具体的实施方案中，硅纳米线的具体结构可以改变纳米发动机迁移轨迹。在一些实施方案中，纳米发动机可以容易地通过不同强度水平的可见光、红外光和紫外光照射推进。有利的是，本文提供的纳米发动机可以通过生物系统中的应用所需的超低光强度被推进到高速。有利的是，本文提供的装置和方法有希望用于设计单独光控、可逆和无线的纳米和微米机器，用于例如生物医学、催化和环境整治的应用中。在一个方面，本专利技术包括以下实施方案：1.用于推进Janus纳米树的方法，包括：在位于流体内的Janus纳米树从定向光源接收能量；通过光电化学反应耦合所述定向光源和Janus纳米树，以推进流体内的Janus纳米树。2.实施方案1的方法，其中从定向光源接收能量包括：调节源强度和空间位置以产生电磁辐射场，其中辐射大约在从大约UV-A1到大约近红外的范围内，以便基本上沿着流体内的特定轨迹推进Janus纳米树。3.实施方案1的方法，其中耦合所述定向光源和Janus纳米树包括：将Janus纳米树沉浸在具有还原-氧化反应化学浓度的流体中，从而使Janus纳米树位于流体内，该流体包括耦合液体；产生对于从定向光源接收的能量的催化响应以影响还原-氧化反应；以及作为受影响的还原-氧化反应的结果，在Janus纳米树上和在沉浸液中产生变化的离子分布。4.实施方案3的方法，其中将Janus纳米树沉浸在流体中包括：添加过氧化氢或葡萄糖，以形成耦合液体；和/或使用苯磺酸(CSPTMS)和/或胺(AEEA)添加化学处理，以改进催化响应。5.1的实施方案，包含：将Janus纳米树沿着轨迹引导到货物；组合Janus纳米树和货物；及通过沿进一步轨迹进一步推进，用Janus纳米树运输货物。6.一种光推进纳米发动机设备，包括：光源驱动器；Janus纳米树；以及在驱动器和Janus纳米树之间耦合的耦合流体，该耦合流体能够进行光电化学反应。7.实施方案6的设备，其中Janus纳米树包括：尺寸大约在大约纳米到大约微米范围的至少双相形状和组成的加工材料。8.实施方案7的设备，其中所述Janus纳米树的所述至少双相形状包括主干和分支；以及其中所述Janus纳米树的所述至少双相组成包含至少部分主干，该部分主干包括硅纳米线和在硅线端部上的二氧化钛头，形成硅纳米线主干的外主干层，所述二氧化钛头包括连接至所述外主干层的分支。9.实施方案8的设备，还包括已经沉积在硅纳米线上的铂纳米颗粒。10.实施方案1的设备，其中所述驱动器和所述Janus纳米树之间的耦合流体包括：含有过氧化氢或葡萄糖的液体；和/或催化影响Janus纳米树的推进的化学处理。11.实施方案10的设备，其中所述化学处理包括：苯磺酸(CSPTMS)和/或胺(AEEA)。12.实施方案9的设备，其中已经沉积的铂纳米颗粒包括：具有至少部分地由无电沉积循环数确定的硅纳米线上的表面密度的铂纳米颗粒。13.一种制造Janus纳米树的方法，包括：加工包括至少主干尾部和头部的硅结构；至少在主干尾部上沉积光活性颗粒；和至少在头部上生长二氧化钛，以形成具有分支的外主干层。14.实施方案13的方法，其中至少在主干尾部上沉积铂包括通过无电沉积在硅纳米线上沉积。15.实施方案13的方法，其中沉积光活性颗粒包括：通过液体沉浸进行的苯磺酸(CSPTMS)和/或胺(AEEA)的化学处理。在另一个方面，本专利技术包括以下实施方案：21.一种用于推进纳米发动机的方法，包括：将纳米发动机沉浸在水性氧化还原耦合流体中；从指向所述纳米发动机的光源提供能量，其中所述纳米发动机的一部分被光源照射，而纳米发动机的另一部分对于该光源被遮蔽；以及允许光电化学反应在纳米发动机的表面和水性氧化还原耦合流体之间的界面产生带电离子，在纳米发动机的附近产生电场，所述电场能够在限定的轨迹通过电泳至少部分地操纵纳米发动机的运动，其中所述轨迹是由纳米发动机的一个或多个组件的表面电势的极性确定的。22.实施方案21的方法，其中所述光源的强度和空间位置是可调的。23.实施方案21的方法，其中由所述光源所产生的入射光的波长范围为340nm至1400nm。24.实施方案21的方法，其中所述纳米发动机是三维纳米树，包括作为纳米树主干的包括选自掺杂半导体、窄带隙半导体、光活性聚合物和生物分子的材料的纳米线和作为纳米树分支的TiO2纳米线，所述TiO2纳米线在主干的一端化学生长并占据直径明显大于主干直径的基本上圆筒形的空间。25.实施方案4的方法，其中所述纳米树的主干包括p型硅。26.实施方案24的方法，其中所述纳米树包括均匀地嵌入在纳米树的主干的表面上的纳米颗粒形式的反应催化剂，该反应催化剂选自铂、金、银、钯、氧化铱、氧化镍和氧化钌。27.实施方案21的方法，其中纳米发动机包括具有p-n结的芯-壳硅纳米线，纳米线的芯包括p型硅，纳米线的壳包括n+-型硅，其中纳米线的一端断裂以暴露p型硅。28.实施方案21的方法，其中所述水性氧化还原耦合流体选自过氧化氢，和苯醌和氢醌的混合物。29.实施方案24的方法，其中纳米树的主干和/或分支被化学修饰，其中所述修饰能够改变纳米树的表面电势。30.实施方案29的方法，其中所述修饰是通过使用选自以下的材料完成的：3-[2-(2-氨基乙基氨基)-乙基氨基]-丙基三甲氧基硅烷(AEEA)、2-(4-氯磺酰基苯基)乙基三甲氧基硅烷(CSPTMS)和铂。31.一种三维纳米树，包括：作为纳米树主干的包括选自掺杂半导体、窄带隙半导体、光活性聚合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于推进纳米发动机的方法，包括：在位于流体内的纳米发动机从定向光源接收能量；通过光电化学反应耦合所述定向光源和纳米发动机，以推进流体内的纳米发动机。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.16 US 62/2683521.一种用于推进纳米发动机的方法，包括：在位于流体内的纳米发动机从定向光源接收能量；通过光电化学反应耦合所述定向光源和纳米发动机，以推进流体内的纳米发动机。2.权利要求1的方法，其中从定向光源接收能量包括：调节源强度和空间位置以产生电磁辐射场，其中辐射在从UV-A1到近红外的范围内，以便沿着流体内的特定轨迹推进纳米发动机；和/或其中耦合所述定向光源和纳米发动机包括：将纳米发动机沉浸在具有还原-氧化反应化学浓度的流体中，从而使纳米发动机位于流体内，该流体包括耦合液体；产生对于从定向光源接收的能量的催化响应以影响还原-氧化反应；以及作为受影响的还原-氧化反应的结果，在纳米发动机上和在沉浸液中产生变化的离子分布；和/或其中将纳米发动机沉浸在流体中包括：添加过氧化氢或葡萄糖，以形成耦合液体；和/或使用苯磺酸和/或胺添加化学处理，以改进催化响应；和/或其中所述方法包含：将纳米发动机沿着轨迹引导到货物；组合纳米发动机和货物；及通过沿进一步轨迹进一步推进，用纳米发动机运输货物。3.权利要求1的方法，包括：将纳米发动机沉浸在水性氧化还原耦合流体中；从指向所述纳米发动机的光源提供能量，其中所述纳米发动机的一部分被光源照射，而纳米发动机的另一部分对于该光源被遮蔽；以及允许光电化学反应在纳米发动机的表面和水性氧化还原耦合流体之间的界面产生带电离子，在纳米发动机的附近产生电场，所述电场能够在限定的轨迹通过电泳操纵纳米发动机的运动，其中所述轨迹是由纳米发动机的一个或多个组件的表面电势的极性确定的。4.权利要求3的方法，其中所述光源的强度和空间位置是可调的；和/或其中由所述光源所产生的入射光的波长范围为340nm至1400nm；和/或其中所述纳米发动机是三维纳米树，包括作为纳米树主干的包括选自掺杂半导体、窄带隙半导体、光活性聚合物、生物分子或其混合物的材料的纳米线和作为纳米树分支的TiO2纳米线，所述TiO2纳米线在主干的一端化学生长并占据直径大于主干直径的圆筒形的空间；和/或其中所述纳米树的主干包括p型硅；和/或其中所述纳米树包括均匀地嵌入在纳米树的主干的表面上的纳米颗粒形式的反应催化剂，该反应催化剂选自铂、金、银、钯、氧化铱、氧化镍、氧化钌或其混合物；和/或其中纳米发动机包括具有p-n结的芯-壳硅纳米线，纳米线的芯包括p型硅，且纳米线的壳包括n+-型硅，其中纳米线的一端断裂以暴露p型硅；和/或其中所述水性氧化还原耦合流体选自过氧化氢，苯醌和氢醌的混合物，或其混合物；和/或其中纳米树的主干和/或分支被化学修饰，其中所述修饰能够改变纳米树的表面电势；和/或其中所述修饰是通过使用选自以下的材料完成的：3-[2-(2-氨基乙基氨基)-乙基氨基]-丙基三甲氧基硅烷、2-(4-氯磺酰基苯基)乙基三甲氧基硅烷、铂或其混合物；和/或其中所述纳米发动机包括均匀地嵌入在n+-型硅壳的表面上的纳米颗粒形式的反应催化剂，所述反应催化剂选自铂、金、银、钯、氧化铱、氧化镍、氧化钌或其混合物。5.一种三维纳米树，包括：作为纳米树主干的包括选自掺杂半导体、窄带隙半导体、光活性聚合物、生物分子或其混合物的材料的纳米线；和作为纳米树分支的TiO2纳米线，所述TiO2纳米线在主干的一端化学生长并占据直径大于主干直径的圆筒形的空间，其中所述纳米发动机能够通过具有范围从340nm至1400nm的波长的光源推进。6.权利要求5的纳米树，其中所述纳米树的主干包括p型硅；和/或其中所述纳米树包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐晋尧，代保湖，王吉壮，
申请(专利权)人：香港大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81