世界首例双引擎人造微纳米机器研制成功 有望在生物医学等领域应用

哈工大报讯（王雪/文）近日，我校微系统与微结构制造教育部重点实验室的贺强教授团队研制成功世界首例双引擎人造微纳米机器，有望在生物医学、环境检测及微纳米组装和制造等领域得到应用。

研究成果以“双气泡驱动的皮艇”为题发表在国际著名期刊《美国化学会志》上，并被选为当期杂志的封面。论文第一作者为化工与化学学院的吴英杰副教授。

化学驱动微纳米机器是能够将周围环境中的化学能转换为自身机械运动的微纳米系统，是当前涉及材料、机器人、物理、化学、生物医学等领域的交叉科学研究热点。贺强教授研究组前期在国际上较早地运用可控化学组装的方法制备了单气泡推进的阴阳型胶囊马达和管状纳米马达（即“纳米火箭”）。然而，如何模拟自然界中普遍存在的双引擎动力模式(如企鹅在水中游动等)，人工合成双引擎驱动的微纳米机器以应对未来应用中的复杂环境仍然是一个巨大挑战。

该研究团队通过化学水热合成法制备了类似哑铃状的中空二氧化锰胶体粒子,可以催化分解过氧化氢燃料并在粒子腰部产生一对氧气泡，从而在低雷诺数下进行自驱动运动。因为这一运动方式类似于单桨双叶的单人皮艇，因此被形象地称为“胶体皮艇”。

由于其哑铃状的特殊结构，双气泡生长和释放产生的反作用力对“胶体皮艇”的切向轴(长轴)和径向轴（短轴）均有净力的产生，前者为其运动提供驱动力，而后者影响其运动方向。此外，通过对双气泡的同步或非同步生长和频率变化的统计分析以及气泡生长和释放过程中周围流体场变化的模拟，该项研究建立了基于气泡生长动力学和微粒子运动方程的物理模型，阐明了其运动机理。

研究表明双气泡驱动比单气泡驱动模式具有更高的机动性。这一成果对探索双引擎微纳米机器的设计方法以及开展适应复杂环境的应用研究具有重要意义。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b06646