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光活性微纳米马达在液液界面和流体环境中的运动研究

光活性微纳米马达在液液界面和流体环境中的运动研究

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作者：杨舟哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

微纳米马达是一种能够将外界能量转化为自身的动能的活性胶体材料,在环境监测、污染处理、药物运输、生物传感等方面均具有潜在应用价值。而光能经过合理设计其既可以直接有效地供给马达运动所需的能量,又能够通过改变光强、波长和照射... 详细信息

微纳米马达是一种能够将外界能量转化为自身的动能的活性胶体材料,在环境监测、污染处理、药物运输、生物传感等方面均具有潜在应用价值。而光能经过合理设计其既可以直接有效地供给马达运动所需的能量,又能够通过改变光强、波长和照射方向等方式给马达传递信息,进而更简单易行的控制马达的诸如运动/停止、转向、加速、震荡等。因此光驱动微纳米马达近年来的发展迅速,应用前景十分广阔。另一方面,目前的很多研究只是着眼于马达在无限大底板上的运动行为,而与现实环境联系更密切的液液界面和流体环境的研究则较少,因此本课题将二者结合,重点研究光驱微纳米马达在液液界面和流体环境下的运动行为特征。本课题首先利用包裹法在商业购买的Si O微球表面均匀包裹上Ti O,并利用真空电子束蒸镀的方法制备了形貌和尺寸均较好的Ti O-Pt Janus马达。同时利用文献中报道的方法,凭借不同亲疏水处理的玻璃片对于水油两相的亲和力不同的特点,制备了较为平整的液液界面实验装置。以及利用声流效应制作了微米尺度上的旋转运动微流体场。最后将前述制备的Ti O-Pt Janus马达分别置于这两种环境中,通过对比其与普通无限大玻璃底板附近的运动行为,探究了液液界面环境和运动流体环境对于光驱动微纳米马达的运动产生的影响,并结合理论对这些影响进行了解释。实验发现,当Ti O-Pt Janus马达在液液界面上时,由于界面的弯曲变形会使微球与微球之间存在一个相互吸引的毛细作用力,这会导致微球在液液界面上照射紫外光后团簇散开的面积变小。而在紫外光照射下,由于光催化分解溶液中的燃料,微纳米马达两侧产生局部物质浓度梯度进而发生自电泳运动。但是当马达位于液液界面环境中时,其运动速度明显小于在普通无限大玻璃底板附近运动时的速度。对于这种现象,本文尝试从多种可能的原因中寻找答案,最终认为马达在不同环境下运动倾角不同是造成这种结果最可能的原因。而在超声波声流所产生的旋转流场中,马达受流体作用公转的同时还会存在自转,这会使得马达自身速度和流体速度存在相互耦合,在某些位置速度相互叠加,某些位置速度相互抵消,使马达在不同的位置速度不同。通过本课题的研究,探究了光驱微纳米马达在液液界面和运动流体两种环境下的运动行为特征,发现马达在液液界面上运动明显减慢,同时在运动流场中,马达自身速度和流场速度存在耦合的情况,这对于理解微纳米马达与周围环境之间的相互作用以及微纳米马达在未来的实际应用均提供了较好的指导意义。

关键词：光驱微纳米马达液液界面旋转流体场声流效应 Janus颗粒

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