摘 要

微小的纳米设备为各种重要应用提供了多种机会，从针对性地运载治疗药物到环境修复，乃至体内肿瘤的治疗。微纳米马达是能将声能、热能、电磁能、化学能等外界能量转化为自身动能的活性颗粒。能够自主运动的微纳米机器在过去十几年间得到了飞速的发展。微纳米马达也是一个极好的模型体系，可用于研究非平衡态物理与软物质领域的一些前沿热点问题。尤其是化学驱动微纳米马达，能够通过化学反应从而获得能量，驱动力强，是微纳米马达领域研究的热点。化学驱动微米马达的运动性能由马达管的直径和尺寸所决定。由于二氧化锰产量大、价格低、催化性能好，逐渐代替铂、金等金属催化剂。此前研究已经证实模板法电沉积制备二氧化锰管状微米马达的可能性，获得了5微米的双锥管状微米马达。但不明晰微纳米马达尺寸和双氧水浓度对二氧化锰微米马达运动速度的影响关系。本论文将以化学驱动管状微纳米马达为研究对象，选择不同的模板和改变沉积参数制备不同尺寸的管状二氧化锰微米马达，从而研究不同尺寸对于微纳米马达运动速率的影响，进一步探讨由于尺寸效应不同所造成的MnO₂微米马达水污染降解效率的差异。

关键词:微米马达，MnO₂，尺寸效应，运动行为，降解效率

Size Effect of Chemically Driven Tubular MnO₂ Micromotor

Abstract

Tiny nanodevices offer tremendous opportunities for a variety of important applications, from targeted delivery of therapeutics, environmental remediation to the treatment of tumors in vivo. Micro/nano motors are active particles that convert external energy such as acoustic energy, thermal energy, electromagnetic energy, and chemical energy into their own kinetic energy. Micro/nano machines capable of autonomous movement have developed rapidly over the past decade. The micro/nano motor is also an excellent model system for studying some of the cutting-edge hot issues in the field of non-equilibrium physics and soft materials. In particular, the chemically driven micro/nano motor can obtain energy through chemical reaction and has strong driving force, which is a hot spot in the research of micro/nano motors. The motion performance of a chemically driven micromotor is determined by the diameter and size of the motor tube. Due to the large output, low price and good catalytic performance of manganese dioxide, it gradually replaces metal catalysts such as platinum and gold. Previous studies have confirmed the possibility of template electrodeposition for the preparation of manganese dioxide tubular micro-motors, resulting in a 5 micron biconical tubular micromotor. However, the relationship between the size of the micro/nano motor and the concentration of hydrogen peroxide on the moving speed of the manganese dioxide micro-motor is not clear. In this thesis, the chemically driven tubular micro/nano motor is selected as the research object. Different templates and variou deposition parameters are used to prepare tubular manganese dioxide micro-motors with different sizes. The effects of different sizes on the movement rate of micro/nano motors are studied. Later, we discussed the size difference of MnO₂ micron-motor on the ratios of water pollution degradation.

Keywords: Micro-motors; MnO₂; Size Effect; Movement behavior; Degradation Ratio

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论1

1.1微纳米马达的国内外研究现状 1

1.1.1微纳米马达介绍 1

1.1.2微纳米马达的驱动机理 1

1.1.3二氧化锰微纳米马达的研究现状 3

1.2课题研究的目的和意义 5

第二章 实验方案7

2.1 实验仪器与原料 7

2.1.1 主要仪器与设备 7

2.1.2 主要试剂 7

2.2化学驱动微纳米马达的制备7

2.3化学驱动微纳米马达的表征10

2.3.1微纳米马达的形貌观察与化学成分、结构的分析10

2.3.2二氧化锰微纳米马达运动行为的观测与分析

11

2.3.3二氧化锰微纳米马达的催化降解效率的研究11

第三章 实验结果与讨论12

3.1微纳米马达样品的表征12

3.2不同双氧水浓度对二氧化锰微纳米马达运动速率的影响的研究 18

3.3不同尺寸微纳米马达的催化降解行为研究 20

第四章 结论22

参考文献23

致谢26

第1章 绪论

1.1微纳米马达的国内外研究现状

1.1.1微纳米马达介绍

美国麻省理工学院的专家德雷克斯勒最早在1986年出版的《创造的发动机》中提出纳米马达的构想，书中提出“细胞修复机”，通过纳米计算机，修复单个原子,纠正DNA的错误^[1]。分子马达最早由波兰科学家提出，一些天然的分子马达对于生命活动发挥着重要作用，如细胞分裂和胞质运输^[2-3]。微纳米马达通常由金、银、铂和聚合物等合成而来。环境为纳米马达提供能量，给后者运动产生动能，H₂O₂是驱动微纳米马达的常用化学燃料。H₂O₂可以分解成氧气和水，释放能量，而金、银等金属可以催化氧化反应。当H₂O₂分解同时，微纳米马达通过反应获得运动动能。不仅H₂O₂，燃料逐渐采用生物相容性较好的葡萄糖等生物媒介。比起生物分子马达，金属微纳米马达制备简易，控制手段多，对环境的适应力更强，应用价值大。

1.1.2微纳米马达的驱动机理

相关图片展示：