【纳米】哈工大深圳王威课题组背靠背2篇JACS介绍微马达最新研究进展- 大数跨境

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2024-02-23

导读：哈尔滨工业大学（深圳）材料学院王威课题组近日连续在《美国化学会会志》（JACS）上发表两篇论文，分析了化学反应驱动的微纳米马达的研究现状与挑战，并报道了在油水界面上化学微马达奇特的加速行为。

哈尔滨工业大学（深圳）材料学院王威课题组近日连续在《美国化学会会志》（JACS）上发表两篇论文，分析了化学反应驱动的微纳米马达的研究现状与挑战，并报道了在油水界面上化学微马达奇特的加速行为。

纳米技术发展的终极目标之一，是制造能够在微纳米尺度自主游动的机器人。这样的微纳米机器人有望为生物诊疗、环境监测、微纳制造等领域带来颠覆式的创新，从而大大推进社会进步。微纳机器人的核心组件是能够将环境中储存的能量转化为动力的微马达 ^[1]。就像汽车引擎一样，微马达也有两类主要的能量来源。一种是利用化学燃料释放的化学能，一种利用环境中的声光电热磁等能量。虽然新能源汽车发展如火如荼，但利用化学反应驱动的微纳米机器人能随时随地从环境中提取燃料，不需要外界供能，因此在复杂的环境中仍有其独特的优势。近二十年来，国内外研究人员对化学驱动的微马达开展了大量的实验、理论、模拟研究，发展了许多种燃料、驱动机制、马达设计、应用 ^[2]。随着研究的深入，研究人员逐渐发现化学驱动微纳马达仍有许多基本的科学问题亟待厘清，这限制了进一步发展。

在2023年12月发表于JACS的观点文章（Perspective）中 ^[3]，王威教授基于过去15年的研究经验，总结了化学驱动的微马达个体驱动机制、边界对马达运动的影响规律与机制、马达相互作用机制等三个方面的主要研究挑战（见图1）。

图1. 化学驱动微纳马达的三类共性、基础问题

在马达个体驱动机制方面，该文介绍了Pt催化H₂O₂分解型微纳马达的三种驱动机制的争议和研究进展，讨论了双金属微纳马达中不同金属氧化还原能力差异的来源，阐述了区分自电泳和自扩散泳机制的方法，分析了中性自扩散泳驱动的合理性。在马达相互作用方面，提出马达间可以通过物理、化学效应产生相互作用，指出了目前相互作用机制的研究需要更仔细的实验测量，以及需要开发能够全面、细致模拟实验中所有效应的模型。在马达的限域动力学方面，介绍了边界对马达影响的三种机制，指出需要开发更好的技术手段。

围绕上述观点文章中“马达与边界的相互作用”这一具体问题，王威课题组于2024年1月再次在JACS发表长文研究（full article）^[4]，报道了化学驱动微马达在油水界面能够显著加速这一反常现象。自然界与人工环境中大量存在各类界面。特别是微纳米机器人的生物诊疗、环境监测等应用常常涉及油和水组成的液液界面。这样的界面处化学成分、电学性质、流体力学环境等与油或者水的体相都不同，但对于微马达在这样界面的实验研究非常稀少，仅有的几个工作 ^[5-7] 也没有体现出马达的行为和在普通的固液界面上有什么区别。

然而，王威课题组的研究结果表明，相较于实验室常见的液固界面，化学驱动的微马达在油水界面能够加速3-6倍，在某些情况下甚至能加速10倍以上（见图2）。而且在多种马达和多种油的实验中都发现了这样的加速现象。更精细的实验表明，马达运动时并没有嵌入油水界面内，而是紧紧贴着界面、漂浮在水层内。此外，这种加速现象一旦远离界面就消失了。

图2. 化学驱动微马达在油水界面显著加速

通过对以上实验现象分析总结，该文提出了5种可能的加速原因，并一一进行了验证、排除，最终保留了一个最可能的原因：化学反应在油水界面会加速，从而使马达变快（见图3）。这听上去匪夷所思，但油水界面、水气界面上化学反应加速其实已经有一些文献报道，也是近年来受到广泛关注甚至质疑的一个热门话题 ^[8,9]。作者的实验则清晰表明，化学反应的确在油水界面上加速了，但具体加速的原因仍待今后工作厘清。有趣的是，除了利用反应加速来理解马达为什么动得更快，也可以反过来，利用马达动得快慢作为探针，监测界面处反应速率，从而提供一种原位、可视的测量复杂环境中化学反应速率的方法。

图3. 化学微马达在油水界面的化学反应速率加快

总结与展望

哈工大深圳王威课题组上述两篇JACS 论文介绍了化学驱动微马达领域的最新研究进展。“观点”论文针对化学驱动微马达的三个关键基础科学问题，介绍了研究背景与现状，分析了主要存在的理论与技术瓶颈，并提出了可能的解决方法。而“研究长文”则报道了化学驱动微马达在油水界面的异常加速现象，揭示了微马达与环境之间复杂的物理化学相互作用，从而为微纳马达在复杂环境中的实际应用打下了基础，也为油水界面处化学反应加速提供了实证，并发展了一种利用马达作为探针的测量界面反应速率的方法。这两篇论文充分展示了微马达丰富的研究内容与多学科交叉的研究特点，有力地推动了微纳马达在理论和应用两方面的发展，也为仿生材料、活性物质、微纳机器人等领域的发展提供了新的思路。

参考文献

1. Chen, X.; Zhou, C.; Wang, W. Colloidal Motors 101: a Beginner's Guide to Colloidal Motor Research. Chem. Asian J. 2019, 14 (14), 2388–2405.

2. Zhang, Y.; Hess, H. Chemically-Powered Swimming and Diffusion in the Microscopic World. Nat Rev Chem 2021, 5 (7), 500–510.

3. Wei Wang*, Open Questions of Chemically Powered Nano- and Micromotors, JACS, 2023, 145, 50, 27185–27197

4. Jiayu Liu, Zhou Yang, Zuyao Yan, Shifang Duan, Xiaowen Chen, Donghao Cui, Dezhou Cao, Ting Kuang, Xing Ma, and Wei Wang*, Chemical Micromotors Move Faster at Oil–Water Interfaces, JACS, ASAP

5. Palacios, L. S.; Katuri, J.; Pagonabarraga, I.; Sánchez, S. Guidance of active particles at liquid–liquid interfaces near surfaces. Soft Matter 2019, 15 (32), 6581-6588, 10.1039.

6. Sharan, P.; Postek, W.; Gemming, T.; Garstecki, P.; Simmchen, J. Study of Active Janus Particles in the Presence of an Engineered Oil–Water Interface. Langmuir 2021, 37 (1), 204-210.

7. Jalilvand, Z.; Haider, H.; Cui, J.; Kretzschmar; Ilona. Pt-SiO₂Janus Particles and the Water/Oil Interface: A Competition between Motility and Thermodynamics. Langmuir 2020, 36 (25), 6880-6887.

8. Wei, Z.; Li, Y.; Cooks, R. G.; Yan, X. Accelerated Reaction Kinetics in Microdroplets: Overview and Recent Developments. Annual Review of Physical Chemistry 2020, 71 (1), 31-51.

9. Narayan, S.; Muldoon, J.; Finn, M. G.; Fokin, V. V.; Kolb, H. C.; Sharpless, K. B. "On water": unique reactivity of organic compounds in aqueous suspension. Angew Chem Int Ed Engl 2005, 44 (21), 3275-3279.

研究团队简介

王威，哈工大深圳材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家优青，广东杰青，深圳市优青。主要从事微纳米机器人、活性物质的交叉学科研究。在Science Advances、PNAS、Advanced Materials、JACS、PRL等国内外高水平期刊上共发表学术论文70余篇，论文被引用5900余次，H因子37，参与编著中英文著作5部，专利5项。课题组网站：http://faculty.hitsz.edu.cn/wangwei3 及 http://weiwang-hitsz.weebly.com/。课题组招聘博士后，见https://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=15963691

王威感谢国家自然科学基金优青项目、面上项目，广东省自然科学基金杰青项目，深圳市科创委优青项目、面上项目，及哈工大等单位对上述两项工作的大力资助。

https://www.x-mol.com/university/faculty/302034

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