摘 要

在过去的十年中，微米和纳米级火箭发展速度很快，一系列性能包括高速度，大牵引力，对运动的精确控制等都能让为纳米马达能够在现实生活中发挥作用，例如可以在生物医学中主动运输药物，在环境应用中主动释放修复剂。

本文研究了两种催化模式下的管状催化纳米马达。首先采用电沉积SiO₂的方式得到PEDOT/SiO₂微米马达。我们成功制备了酶催化微米马达，但是对于进行表面改性、嵌入催化酶的马达催化性能有待于进一步研究。第二，我们研究了不同沉积方法及沉积库伦量下，采用模板法制作的管状催化铂微米马达的形貌及运动行为。首先采用恒电位沉积法沉积PEDOT/Pt，效果并不理想，随后采用恒电流法制备铂微米马达，H₂O₂催化效率显著提升。在此基础上研究不同沉积库伦量对马达的形貌与运动方式、运动能力的影响。实验发现，在沉积库伦量为1C时，马达活性高，形貌佳，在10%H₂O₂浓度下速度可达120μm/s。马达活性与沉积库伦量、H₂O₂浓度呈现正相关关系，在6%-6.67%H₂O₂浓度区间之间，催化效果发生阶跃，显著提升。

关键词：电化学沉积 模板法 微纳米马达 运动行为

Preparation and Motion Behavior of Tubular Catalytic Micro-nano-motors

ABSTRACT

In the past decade, micro and nano rockets have developed rapidly. A range of performances, including high speed, high traction, and precise control of movement, can all make nano-motors work in real life. Actively transport drugs in biomedicine and actively release healing agents in environmental applications.

In this paper, tubular catalytic nanomotors with two catalytic modes are studied. First, PEDOT/SiO₂ micro motors were obtained by electrodeposition of SiO₂. We have successfully prepared the enzyme-catalyzed micromotor, but the catalytic performance of the motor for surface modification and intercalation of the catalytic enzyme remains to be further studied. Secondly, we studied the morphology and the kinematic behavior of a tubular catalytic platinum micron motor made by the template method under different deposition methods and deposition coulombs. First, the PEDOT/Pt was deposited by the constant potential deposition method. The effect was not ideal. Then, the platinum micron motor was prepared by the galvanostatic method. The catalytic efficiency of H₂O₂ was significantly improved. Based on this, the effects of different depositional coulombs on the morphology, movement patterns and propulsion capacity of the motor were investigated. The experiment found that when the deposition coulomb amount is 1C, the motor is activated and the morphology is good. The speed can reach 120 μm/s at a concentration of 10% H₂O₂. The motor activity was positively correlated with the deposited Coulomb and H₂O₂ concentration. The catalytic effect stepped up significantly between 6%-6.67% H₂O₂ concentration range.

Keywords: Electrochemical deposition; template method; Micro-/nanomotor; motion behavior

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1微纳米马达概论 1

1. 2纳米马达研究现状 2

1.3纳米马达种类及工作原理 2

1.3.1 种类 2

1.3.2 工作原理 4

1.4常见纳米马达制备方法 5

1.5.纳米马达的应用 6

1.5.1 纳米马达在医学方面的应用 6

1.5.2纳米马达在环境中的应用 8

1.6.研究目的与研究意义 8

第二章 实验 9

2.1 实验仪器设备 9

2.1.1喷镀装置 9

2.1.2水解装置 10

2.1.3观测装置 10

2.1.4 pH测量装置 11

2.1.5电化学实验装置 11

2.2实验材料 12

2.2.1实验试剂 12

2.2.2实验电极 12

2.3微米马达的制备 12

2.3.1模板的前处理 12

2.3.2电解池的装配 13

2.3.3电解液的配置 13

2.3.4电化学沉积马达 14

2.3.5微米马达的分离 14

2.4马达的观测与运动追踪 15

2.5实验方案 15

第三章 实验结果与分析 16

3.1酶催化PEDOT/SiO₂微米马达 16

3.1.1微观形貌 16

3.1.2 能谱分析 17

3.2 H₂O₂催化Pt微米马达 17

3.2.1沉积方法的影响 18

3.2.2沉积库伦量的影响 20

第四章 结论 26

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1微纳米马达概论

纳米技术是二十一世纪发展起来的一门新兴科学技术。它结合了传统的物理，化学，机械和其他技术领域，形成了纳米材料，纳米生物学和纳米力学等多种新的研究领域。微马达尺寸在纳米级或微米级。它可以将化学能转化为机械能，从而实现特定的运动。不同的运动方式使微纳米马达在多个不同领域得到广泛应用^[1]，可以实现很多的不同功能，例如针对性药物运输和环境修复。目前，国内外开发的大部分微纳米马达都是通过过氧化氢的铂催化来为自身提供前进的动力。铂催化马达主要缺点是价格昂贵，并且需要用到过氧化氢溶液，它对生物环境有一定毒性。与此同时，铂马达的表面与介质环境之间粘滞力较大，这对燃料利用率有影响，更是会严重影响其运动速度。本文继续探索的是用模板法制备铂管状铂催化微米马达的运动行为，测试其性能。

微纳米马达有多种结构，性能与应用^[2]。制造微纳米马达的灵感起初来自大自然中生物体的运动实例。作为纳米技术研究的前沿领域之一，微纳米马达在生物医学和环境修复领域已经得到了应用，具有非常大的应用前景。微纳迷马达在体内比细胞和红细胞小。他们可以便捷灵活地携带人体所需的药物，还可以寻找癌细胞，对受损的组织进行修复，亦或是进行精密显微手术。自组装油分子层的微马达可与油污水相互作用，对之进行吸附作用或转移污染。微纳米马达的未来应用和运动行为直接决定于它轨迹的控制方法。新型微马达的发展可谓是充满了机遇和挑战。比如，细胞骨架蛋白负责细胞器、分子等的细胞内转运。ATP的水解使它们具备了燃料，使运动能力成为可能。与合成马达类似，它们以70nm长度驱动蛋白的尺寸为代表。一方面借助于它们的生物相容性，生物马达对于体内应用可能会有意义，但是另一方面，对它们的控制^[3]和进一步修改是相当具有挑战性的。最重要的是对它们的修改行为有可能导致其基本功能的丧失。因此，科学界几乎一直专注于制造并操纵适合运动的人造微纳米马达，而不是从活体生物中分离特定蛋白质。各种纳米材料合成的微纳米马达可以较轻易地在这种装置中扮演不同角色。微纳米马达是否会在微型设备领域有突出贡献取决于预期的应用。我们必须了解不同的制造方法，因为每个特定的形状需要特定的制造技术，以及不同的修改来确定它们的运动行为。

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