基于物質(zhì)梯度的微米級自驅(qū)動馬達(dá)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、自驅(qū)動微納米馬達(dá)是一類人工合成的智能仿生材料，它能夠?qū)⒅車h(huán)境的能量轉(zhuǎn)化為自身的自主運(yùn)動，在生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測、生化分析等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力。在眾多類型的微納米馬達(dá)中，基于物質(zhì)梯度的自驅(qū)動微納米馬達(dá)運(yùn)動機(jī)理相對明確，能以類似于菌落的方式動態(tài)自組裝，同時具有大小和形狀均一可控的優(yōu)點(diǎn)，因而是一種研究自組裝行為的良好模型。微納米馬達(dá)的運(yùn)動與自組裝的研究不僅有助于理解自然界中生物的群體行為，也在低維材料自下而上的合成方面具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2、
　　近十年間涌現(xiàn)出多種依靠物質(zhì)梯度驅(qū)動的為納米馬達(dá)，其中雙金屬棒催化微馬達(dá)研究時間最長，受到了很大的關(guān)注。但是其運(yùn)動過程是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，涉及多個物理場的耦合。為了更好地研究馬達(dá)與其他結(jié)構(gòu)以及馬達(dá)之間的相互作用，本文基于自電泳機(jī)理，通過使用有限元模擬軟件COMSOL，建立了二維軸對稱和三維的雙金屬棒馬達(dá)模型，研究了馬達(dá)幾何尺寸對其運(yùn)動速度的影響；模擬研究了馬達(dá)在微通道到內(nèi)的加速現(xiàn)象及加速效果與馬達(dá)尺寸、微通道尺寸和馬達(dá)表面反

3、應(yīng)速率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)馬達(dá)周圍的電場壓縮效應(yīng)對其加速有重要影響。此外還研究了兩個馬達(dá)之間以及馬達(dá)與惰性示蹤球之間的相互作用力與距離的關(guān)系。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象的對比，初步驗(yàn)證了模型的合理性。
　　群體行為研究需要新型的、動力學(xué)更為豐富的馬達(dá)種類。受自電泳模型的啟發(fā)，本文建立了基于自擴(kuò)散泳的Janus球形（即兩個半球性質(zhì)不同）馬達(dá)模型，并根據(jù)模型的設(shè)計制備了聚甲基丙烯酸甲酯-銀（PMMA-Ag）和聚甲基丙烯酸甲酯-氯化銀（P

4、MMA-AgCl）兩種基于自擴(kuò)散泳驅(qū)動的Janus微米球。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了PMMA-Ag Janus馬達(dá)在過氧化氫和氯化鉀中能夠進(jìn)行間歇性運(yùn)動，并研究了體系參數(shù)對其運(yùn)動周期規(guī)律的影響，結(jié)合模擬提出了其周期性運(yùn)動來自于體系內(nèi)周期性化學(xué)震蕩引起的自擴(kuò)散泳效應(yīng)。此外，實(shí)現(xiàn)了PMMA-AgCl Janus小球在去離子水和紫外光體系中同樣基于自擴(kuò)散泳的驅(qū)動，研究了不同硝酸鉀濃度下其運(yùn)動速度和均方位移隨時間的變化。
　　通過本文的研究，在一定程