用于微纳输运的管状引擎的催化驱动机制及运动调控研究

The micro/nano-devices driven by catalytic reaction can be used as power sources of electro-mechanical systems for micro-/nano-delivery. The related researches are therefore of importance from the viewpoints of both fundamental and practical aspects. The objective of present research proposal is a new micro-/nano-driving device: tubular catalytic engine. The research will start with the catalytic motion behaviors of tubular engines with different geometries. The mechanism of the catalytic motion will be analyzed in detail via theoretical modeling and experimental verification, and the motion dynamics will then be investigated. The mechanism of the energy conversion (from chemical energy to kinetic energy) in the tubular engine will be carefully studied on the basis of a comprehensive understanding of the physical and chemical processes in catalytic motion, and the performance of the engine and the catalytic motion can thus be enhanced by means of compositional and structural optimizations. Besides the investigation concerning the mechanism of catalytic motion, the controllabilities of on/off state, motion speed, as well as output power of the tubular engine are proposed to be explored by altering local environment. The interaction between the catalytic motion and external stimulation will be discussed to disclose the inner mechanism. The results of this research may have applications in micro-/nano-delivery and biochemical analysis, and may pave the way for the future realization of "smart" micro-/nano-electro-mechanical systems.

催化驱动的微纳器件可作为机电系统的动力来源用于微纳输运，具有重要的现实意义和研究价值。本项目的研究对象是一种新型的催化驱动器件：微纳管状催化引擎。研究工作中我们将首先观察具有不同结构特征的管状引擎的催化驱动行为，结合理论建模和对比实验验证，理清催化驱动的内在机制和动力学过程，并从材料选择和精细结构引入等方面予以优化，提升催化驱动性能，提高其作为驱动器件的输出功率。在深入了解引擎催化驱动机制之后，本项目将通过外界局域环境的改变对微纳管状引擎的开关状态、运动速率、输出功率等实现精确和独立的调控并研究引擎催化驱动与外界刺激的相互作用及其原理。本项目的研究成果可以直接运用到微纳输运、生物分析等领域，并可为智能型微纳机电系统的设计制备奠定理论和实验基础。

催化驱动的微纳器件可作为微纳机电系统的动力来源，具有重要的现实意义和研究价值。本项目的研究对象是一种新型的催化驱动器件：管状催化微引擎。在本项目开展的四年时间中，我们围绕管状催化微引擎按照研究计划开展了一系列的研究工作，取得了丰富的成果，实现了预期目标。我们首先针对卷曲管状结构的制备和卷曲机理开展研究探索，实现了卷曲管状结构的可控制备。我们可以利用多种不同材料的纳米薄膜卷曲制备直径在数十纳米至一百微米尺度范围精确可控的卷曲管状结构。在此基础上，我们从理论和实验上对管状结构作为微引擎在液体中的催化运动行为和机制开展了研究工作，详细分析了气泡反推行为在不同几何结构管状微引擎中的差异。更进一步，着眼于提升管状微引擎的性能，我们采用了多种方式来优化管状微引擎。例如，我们采用纳米颗粒来提高表面积从而提升催化反应效率；通过修饰管状结构表面减少阻力，提高运动速率。此外，我们还在卷曲管状结构的管壁表面制备了微米尺度的条纹结构，理论研究和实验观测证明，这种具有微条纹管壁的微引擎的运动稳定性明显提高。在应用方面，我们探索了利用管状微引擎收集溶液中的待测分子，结合表面增强拉曼散射实现高灵敏度探测。本项目还探索使用新的反应机制实现新型管状微引擎。例如通过溶液中二氧化碳在管状结构中形成微气泡反推管状结构运动构建生物兼容的微引擎。本项目的研究成果可望在微纳机电系统、微纳输运、微纳机器人、生物医学、靶向给药等领域有实际的应用前景。项目执行过程中已发表学术论文18篇（其中SCI收录论文16篇）。项目研究工作协助培养博士后1名、博士研究生4名、硕士研究生4名。