摘 要

微纳米马达（MNM）是一种可以将其它形式的能量转化为动能的微纳米尺度的运动器件。目前开发的微纳米马达的驱动方式主要分为：自驱动和外场驱动。自驱动微纳米马达在不需要外界刺激的条件下就可以自主运动。外场驱动微纳马达主要是将光、磁场、超声场等外界能量转换为机械能来驱动微纳马达运动。与需要复杂设备的磁场和声场相比，光作为一种典型的外场，具有操作方便、可实时三维远程施加、可精确定位等优点，是控制微纳米马达运动的一种理想手段。

本论文以基于光催化反应驱动的TiO₂微纳米马达为主要研究对象，详细探究了TiO₂微纳米马达的晶相组成以及晶粒尺寸对其趋光运动行为的影响。研究发现，锐钛矿相的TiO₂（A-TiO₂）在365 nm光照下展现出负的趋光性，金红石相TiO₂（R-TiO₂）展现出正的趋光性；而在二者同时存在时，正负趋光性亦同时存在；TiO₂微纳米马达的趋光运动行为包括启停，速度和方向可以通过调控光源的开关和强度来精确控制。通过光还原负Pt提高TiO₂的光催化活性，还能实现其在紫外光照条件下在纯水中运动且趋光性未发生改变。结果表明，通过控制光催化反应驱动的微纳米马达的催化产物种类与分布情况，可以实现对其趋光性的控制。该研究结果丰富了光驱动的微纳米马达的研究方向，并为设计同种材料不同趋光性的微纳米马达提供了可行的方案。

关键词：晶相；微纳米马达；光催化；二氧化钛；趋光性

Abstract

Micro/nanometer motor (MNM) is a micro/nanoscale motion device that can convert other forms of energy to kinetic energy. Currently, the development of micro/nanomotor driven mode is divided into self-driven and field drive. Self-driven micro/nanomotor can drive itself in the absence of external stimuli. Field-driven micro/nanomotor mainly converts light, magnetic field, ultrasonic field and other external energy to mechanical energy to drive itself. Compared with the magnetic field and sound field which require complex equipment, light is a kind of typical field with advantages of easy operation, real-time three-dimensional remote application and precise positioning. It is an ideal way to control the movement of micro/nanomotor.

In this paper, the TiO₂ micro/nanomotor driven by photocatalytic reaction is our main research object, and the influence of the crystal phase composition and grain size on the phototaxis behavior of TiO₂ micro/nanomotor are studied in detail. We find that the anatase phase TiO₂ (A-TiO₂) exhibits negative phototaxis under 365 nm light, and the rutile TiO₂ (R-TiO₂) exhibits positive phototaxis. When both of them exist, so do the positive and negative phototaxis. The phototaxis behavior of TiO₂ micro/nanomotors includes start-stop, velocity and direction that can be precisely controlled by regulating the switching and intensity of the light source. The photocatalytic activity of TiO₂ is improved by photocatalytic reduction of Pt, and it is observed in pure water under UV light and the phototaxis does not change. The results show that we can control the phototaxis by controlling the type and distribution of the catalytic products of the micro/nanomotor driven by the photocatalytic reaction. The research results leads to more research direction of light-driven micro/nanomotors and provides a feasible solution to use the same kind of materials to design micro/nanomotors with different phototaxis.

Key Words：Crystal phase；Micro/nanometer motors；Photocatalytic；TiO₂；Phototaxis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 微纳米马达简介 1

1.2 光驱动微纳米马达的分类 2

1.2.1 光热型微纳米马达 2

1.2.2 光致异构型微纳米马达 4

1.2.3 光催化型微纳米马达 8

1.3 光驱动微纳米马达的应用 13

1.3.1 生物医药 13

1.3.2 环境治理 13

1.3.3 货物运输 14

1.3.4 仿生模拟 14

1.4 课题研究背景与研究内容 14

第2章 光驱动TiO₂微纳米马达的制备与性能测试 16

2.1 引言 16

2.2 实验部分 18

2.2.1 实验试剂 18

2.2.2 实验仪器与设备 19

2.2.3 实验制备过程 19

2.2.4 样品测试与表征 20

2.3 结果与讨论 21

2.3.1 不同煅烧温度制备TiO₂的粒子的形貌和结构表征 21

2.3.2 不同晶相组成TiO₂粒子在365 nm光照条件下的运动轨迹 22

2.3.3 不同晶相组成TiO₂粒子正负趋光性原理 23

2.3.4 不同晶相组成TiO₂粒子的启停和运动速度控制 27

2.3.5 TiO₂粒子尺寸对趋光性的影响 29

2.3.6 Pt/ TiO₂纯水中的运动 30

2.3.7 锐钛矿相和金红石相TiO₂粒子在420 nm光照条件下的运动 31

第3章 结论与展望 32

3.1 结论 32

3.2 展望 33

参考文献 34

致 谢 39

第1章 绪论

1.1 微纳米马达简介

微纳米马达是能够将其他形式的能量转化成机械能以产生运动的微纳米器件，它们在人类发展过程中有着非常重要的作用。受到1966年电影“梦幻之旅”的启发，微纳米尺度的马达已经引起了科学家们深入研究微观世界的兴趣^[1]。然而，微纳米马达的设计和运动具有挑战性，一方面是因为宏观应用于马达的原理并不适应微纳米马达，另一方面复杂结构的微/纳米材料的制备较为困难。微纳米马达的早期研究主要集中在分子马达^[2]和液态马达^[3]上。在过去的将近十年中，由于微纳米材料合成技术的进步，已经引入了基于聚合物金属^[4]或无机非金属^[5]以及其各种复合材料的各种固体微纳米马达^[6]。这些微纳米马达通常被称为微型机器人，在微观工程领域执行复杂的任务，如环境修复^[7]，微/纳装配和制造^[8],微型货物装载/卸载和运输^[9]以及药物靶向运输和无创手术^[10]等。

自然界中许多生物体能够感应周围环境中的信号，并相应地作出反应^[11]；而一些动物和细菌则可以发生磁或光敏态迁移^[12]，这些有趣的现象激发了研究人员的想象力，创造了各种微纳米马达。目前开发的微纳米马达根据驱动方式不同主要分为自驱动和外场驱动。自驱动微纳米马达（Self-propelled micro-/nanomotors）在不需要外界刺激的条件下就可以自主运动，根据驱动力的来源不同可分为表面张力梯度、自扩散泳、自电泳、气泡的反冲驱动等。由于自驱动微纳米马达具有独特的自主运动特性，可在液相介质中装载、运输和释放各种微纳米货物(micro-/nanocargoes)，因此在药物运输、生物传感、细胞分离、微手术和环境治理等方面有着很多引人注目的应用前景。为了实现这些应用，通常要求自驱动微纳米马达的运动必须可控，包括启动、停止、加减速、运动方向等。而自驱动微纳米马达的构筑关键是非对场的建立，可以通过构筑马达的非对称结构（非对称化学组成或非对称形貌）来实现。然而，复杂的非对称结构的获得往往需要复杂的制备工艺、成本较高；更为重要的是，在微观尺度下，这些非对称结构自驱动微纳米马达的运动易受无规的热振动、局部紊流以及反应产物释放方向不稳定等因素的影响，导致其运动方向和轨迹难以控制。