本發(fā)明屬于微納米馬達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于tio2雙晶相微米粒子的光控微米馬達(dá)。

背景技術(shù)：

微納米馬達(dá)是微納米機(jī)器中重要組成部分，因?yàn)樗鼈儶?dú)特的運(yùn)動(dòng)特性，可能在液體介質(zhì)中完成貨物的裝載、運(yùn)輸和釋放功能，這樣可以完成各種復(fù)雜的任務(wù)，例如：藥物運(yùn)輸、蛋白質(zhì)和細(xì)胞的分離、微手術(shù)和環(huán)境治理等等(chem.rev.2014,114,6285；acsappliedmaterials&interfaces2014,6,9897；nanoletter2007,5；nanoscale2013,5(11):4696)。自驅(qū)動(dòng)微納米馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的本質(zhì)在于構(gòu)建一個(gè)非對(duì)稱場(chǎng)，通過(guò)非對(duì)稱場(chǎng)來(lái)打破其受力平衡，使微納米馬達(dá)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。目前微納米馬達(dá)的設(shè)計(jì)思路主要分為兩類，一類是通過(guò)將微納米馬達(dá)本身構(gòu)建為非對(duì)稱的形貌或結(jié)構(gòu)(small2015,11,2564；adv.funct.mater.2015,25(39):6173)，另一類是通過(guò)施加非對(duì)稱外場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)局部非對(duì)稱化學(xué)或物理場(chǎng)的建立(advmater2017,29,doi:10.1002/adma.201603374.)，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)的目的。因此，現(xiàn)有的微納米馬達(dá)要么具有復(fù)雜的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)(如雙面神結(jié)構(gòu)、多層管狀結(jié)構(gòu)或罐狀結(jié)構(gòu)等)、昂貴的材料組成或復(fù)雜的制備過(guò)程，要么需要特定的復(fù)雜外場(chǎng)，這嚴(yán)重阻礙了微納米馬達(dá)的大面積制備和應(yīng)用。所以，制備出具有運(yùn)動(dòng)可控，且簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、無(wú)需特定復(fù)雜外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微米馬達(dá)是本領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種運(yùn)動(dòng)可控，且簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、無(wú)需特定復(fù)雜外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微米馬達(dá)，且易于制備，制備成本低。

為達(dá)到上述目的，采用技術(shù)方案如下：

基于tio2雙晶相微米粒子的光控微米馬達(dá)，外形呈0.7-1.5μm球狀；其物相組成包含銳鈦礦和金紅石兩種晶相，兩種晶相呈非均勻分布，晶粒大小在63-645nm范圍內(nèi)；將tio2雙晶相微米粒子分散于雙氧水溶液中，光照條件下光生電子和空穴能在異質(zhì)結(jié)發(fā)生分離，在銳鈦礦和金紅石兩種晶粒表面發(fā)生非對(duì)稱氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)粒子的自驅(qū)動(dòng)。

上述光控微米馬達(dá)的制備方法，包括以下步驟：

將nacl溶液、乙醇和鈦酸四丁酯混合，攪拌10-30min后靜置22-26h，收集白色沉淀；

將含有白色沉淀的溶液離心后去掉上清液，經(jīng)過(guò)烘干后得到白色粉末，將白色粉末在600-700℃條件下煅燒90-150min，即得到基于tio2雙晶相微米粒子的光控微米馬達(dá)。

按上述方案，nacl溶液為0.1mmnacl水溶液，其與乙醇和鈦酸四丁酯按體積比為1:250:4.25。

上述光控微米馬達(dá)的控制方法，包括以下步驟：

將tio2雙晶相微米粒子分散于雙氧水溶液中，使用光源照射在tio2雙晶相微米粒子上，光照條件下光生電子和空穴能在異質(zhì)結(jié)發(fā)生分離，在銳鈦礦和金紅石兩種晶粒表面發(fā)生非對(duì)稱氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)粒子的自驅(qū)動(dòng)。

按上述方案，通過(guò)光源強(qiáng)度或雙氧水溶液濃度的控制，實(shí)現(xiàn)tio2雙晶相球形微米粒子運(yùn)動(dòng)速率的控制。

按上述方案，所述光源為波長(zhǎng)在400nm以下的光。

按上述方案，所述光源與水平面法線的夾角為θ，且0°≤θ<90°。

按上述方案，所述光源輸出功率p為0.06-1w。

按上述方案，所述雙氧水溶液濃度為0.1wt％以上。

本發(fā)明運(yùn)動(dòng)機(jī)理特征在于兩種不同晶相匹配的能帶結(jié)構(gòu)，在光照下，光生電子-空穴對(duì)在兩相異質(zhì)結(jié)發(fā)生分離，光生電子和空穴分別富集在兩種晶相中，分別參與到在粒子表面發(fā)生的光催化分解h2o2的氧化還原反應(yīng)。由于這兩種晶相在粒子表面分布不均，光催化氧化還原反應(yīng)表現(xiàn)出非對(duì)稱性，從而在粒子兩側(cè)形成h⁺濃度梯度，由此產(chǎn)生的局部電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)原本帶電的微米粒子產(chǎn)生自電泳運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明的有益效果是：

得到了一種基于tio2雙晶相微米粒子的光控微米馬達(dá)，該微米馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制備，制備成本低的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明可以根據(jù)銳鈦礦和金紅石相不同的禁帶寬度，使電子和空穴分別在各自富集的表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)自電泳運(yùn)動(dòng)。

附圖說(shuō)明

圖1：實(shí)施例1所得二氧化鈦微米粒子的掃描電鏡圖和xrd衍射圖。

圖2：實(shí)施例1所得二氧化鈦微米粒子的透射電鏡圖。

圖3：實(shí)施例1所得二氧化鈦粒子2s內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

圖4：光照角度示意圖。

圖5：實(shí)施例1所得二氧化鈦微米粒子在不同雙氧水濃度作用下的平均運(yùn)動(dòng)速率變化。

圖6：實(shí)施例1所得二氧化鈦微米粒子在不同紫外光照強(qiáng)度作用下平均運(yùn)動(dòng)速率的變化。

圖7：實(shí)施例1所得相同二氧化鈦微米粒子在連續(xù)的打光和停光下的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖8：打光和停光期間的平均速度分析。

圖9：打光和停光情況下粒子的均方位移分析。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例進(jìn)一步闡釋本發(fā)明的技術(shù)方案，但不作為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

實(shí)施例1

雙晶相球形二氧化鈦微米粒子的制備方法：

將0.1mmnacl溶液、乙醇和鈦酸四丁酯按先后順序以體積比1:250:4.25的比例混合，攪拌18min后靜置24h，收集白色沉淀，此白色沉淀為未結(jié)晶的tio2微球；

將未結(jié)晶二氧化鈦微球粉末置于馬弗爐中，煅燒溫度設(shè)定為650℃，煅燒時(shí)間設(shè)定為120min，即可得到同時(shí)含有銳鈦礦和金紅石相的雙晶相二氧化鈦微米粒子。

實(shí)施例2

雙晶相球形二氧化鈦微米粒子的制備方法：

將0.1mmnacl溶液、乙醇和鈦酸四丁酯按先后順序以體積比1:250:4.25的比例混合，攪拌10min后靜置26h，收集白色沉淀，此白色沉淀為未結(jié)晶的tio2微球；

將未結(jié)晶二氧化鈦微球粉末置于馬弗爐中，煅燒溫度設(shè)定為600℃，煅燒時(shí)間設(shè)定為150min，即可得到同時(shí)含有銳鈦礦和金紅石相的雙晶相二氧化鈦微米粒子。

實(shí)施例3

雙晶相球形二氧化鈦微米粒子的制備方法：

將0.1mmnacl溶液、乙醇和鈦酸四丁酯按先后順序以體積比1:250:4.25的比例混合，攪拌20min后靜置24h，收集白色沉淀，此白色沉淀為未結(jié)晶的tio2微球；

將未結(jié)晶二氧化鈦微球粉末置于馬弗爐中，煅燒溫度設(shè)定為650℃，煅燒時(shí)間設(shè)定為120min，即可得到同時(shí)含有銳鈦礦和金紅石相的雙晶相二氧化鈦微米粒子。

實(shí)施例4

雙晶相球形二氧化鈦微米粒子的制備方法：

將0.1mmnacl溶液、乙醇和鈦酸四丁酯按先后順序以體積比1:250:4.25的比例混合，攪拌10min后靜置22h，收集白色沉淀，此白色沉淀為未結(jié)晶的tio2微球；

將未結(jié)晶二氧化鈦微球粉末置于馬弗爐中，煅燒溫度設(shè)定為700℃，煅燒時(shí)間設(shè)定為90min，即可得到同時(shí)含有銳鈦礦和金紅石相的雙晶相二氧化鈦微米粒子。

利用掃描電子顯微鏡(sem,s-4800,hitachico.,ltd.,japan)和x射線衍射分析儀(xrdbrukerd8advancex-raydiffractometer)對(duì)實(shí)施例1所得二氧化鈦微米粒子進(jìn)行顯微形貌表征和物相表征，結(jié)果如圖1所示?？梢杂^察到該粒子是由銳鈦礦和金紅石兩種晶相組成，且粒徑在1μm左右，經(jīng)測(cè)量得晶粒范圍在63-645nm。

利用透射電子顯微鏡(tem,jem2100f/jem2100f)對(duì)實(shí)施例1所得二氧化鈦微米粒子進(jìn)行成分分布表征，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯龇纸缇€的一邊(a、b、c、d)明顯是銳鈦礦含量占優(yōu)，而另外一邊(e、f、g、h)是銳鈦礦含量占優(yōu)，充分說(shuō)明該粒子是由兩種晶相組成，且這兩種晶相呈非對(duì)稱分布。

本發(fā)明基于tio2雙晶相微米粒子的光控微米馬達(dá)，其運(yùn)動(dòng)控制方法如下：

將實(shí)施例1所得二氧化鈦微米粒子分散至一定濃度的雙氧水燃料中(0.1-5wt.％)，搭建光照平臺(tái)，設(shè)置光與水平面法線的夾角為θ(0°≤θ<90°)，設(shè)定光源輸出功率為p(0.06-1w)，即可得到二氧化鈦微米粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。

標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)是在1wt.％雙氧水、1w的輸出功率條件下進(jìn)行，當(dāng)逐漸變換入射光的角度θ，利用倒置熒光顯微鏡(leicadmi3000m)對(duì)粒子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行表征后，經(jīng)分析處理得粒子軌跡圖如圖3所示。光照角度示意圖如圖4所示。

燃料濃度對(duì)雙晶相二氧化鈦微米粒子的運(yùn)動(dòng)速率影響：

取實(shí)施例1所得雙晶相二氧化鈦微米粒子分別分散在不同濃度的雙氧水溶液中，采用強(qiáng)度為1w/cm²的紫外光照射粒子，得到粒子在雙氧水溶液濃度為0-5wt％時(shí)的平均速率，其平均運(yùn)動(dòng)速率隨著燃料濃度的增加而增大，如圖5所示。

光照強(qiáng)度對(duì)雙晶相二氧化鈦微米粒子的運(yùn)動(dòng)速率影響：

取實(shí)施例1所得二氧化鈦微米粒子分散在一定濃度(1wt.％)的雙氧水溶液中，采用不同強(qiáng)度的紫外光照射粒子團(tuán)聚體，得到粒子群體在紫外光強(qiáng)度為0-1w/cm²時(shí)群體的平均速率，其平均運(yùn)動(dòng)速率隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，見圖6所示。

調(diào)整紫外光源與水平面的夾角θ＝0°，使用強(qiáng)度為1w/cm²的紫外光照射實(shí)施例1所得雙晶相二氧化鈦微米粒子，雙氧水溶液濃度為1wt.％，循環(huán)控制紫外燈的開關(guān)。

取實(shí)施例1所得二氧化鈦微米粒子。利用倒置熒光顯微鏡記錄下相同兩個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖7所示。在循環(huán)開關(guān)紫外光的過(guò)程中，當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)，粒子僅僅表現(xiàn)出簡(jiǎn)單的布朗運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)有光照時(shí)，粒子立即表現(xiàn)出復(fù)雜的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。這充分說(shuō)明了該微米馬達(dá)光響應(yīng)程度之快，體現(xiàn)了光控的優(yōu)勢(shì)。對(duì)其速度分析如圖8所示，光照的瞬間，粒子的瞬時(shí)平均運(yùn)動(dòng)速度立即從3.5μm/s增加到11μm/s，再次體現(xiàn)出光響應(yīng)之快，也表現(xiàn)了這種微米馬達(dá)很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力。均方位移分析如圖9所示。從圖中可以清楚的看出在光照下粒子運(yùn)動(dòng)的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于簡(jiǎn)單的布朗運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明了光在粒子做復(fù)雜隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起決定性作用。

本發(fā)明涉及到的雙晶相球形微米粒子、光源搭建方法、光照強(qiáng)度、以及燃料濃度等參數(shù)、區(qū)間取值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。