自驱动金属微米棒马达的自组装机理研究

Self-propelled colloidal motors are an emerging class of active matters at the nano- and microscale. The study on these motors is significant in understanding the motion, assembly and collective behaviors of active matters at microscale. In addition, colloidal motors can be potentially used in energy, environmental and biomedical applications. Recently the experimental and theoretical investigations of the assembly of these motors have attracted wide attention in the scientific community. Among the various types of colloidal motors, bimetallic micro-rod motors that are driven by surface catalytic reactions are an important type. The study on its self-assembly has just started while the understanding of the assembly mechanism is lacking. Based on our previous research findings, this project will study, via both experiments and simulation, the self-assembly of bimetallic micro-rod motors and how it is affected by various parameters. Furthermore the assembly behaviors of metallic micro-rod motors under both ultrasound and chemical fields will be studied by taking advantage of the MHz ultrasonic manipulation technique. The findings of this project will elucidate the assembly mechanism of bimetallic micro-rod motors in a chemical field, and reveal the underlying principles of the complex assembly behaviors of micro-rod motors induced by multiple fields. Our findings will lend support to grasping the general principles of colloidal assembly, as well as to understanding the collective behaviors of active matters at the microscale.

自驱动胶体马达是本世纪初新兴的一类微纳米活性物质（active matter），对于研究微观活性物质的运动、组装与群体行为有重要意义，在能源、环境、生物医药等领域也有较大的潜在应用价值。近年来对其自组装的实验与理论研究是该领域的热点。由表面催化反应驱动的双金属微米棒是一类重要的胶体马达，然而对其自组装的研究才刚刚起步，学术界对其自组装机理仍缺乏系统研究。在前期研究基础上，本课题将研究双金属微米棒在化学场中的自组装机理，通过实验观测与数值模拟手段，研究颗粒与环境参数对于微米棒自组装的影响；并将通过兆赫兹超声波操控技术，研究金属微米棒在超声场与化学场叠加诱导下的组装行为。本课题的研究成果将从根本上阐明双金属微米棒马达在化学场下的组装机理，揭示多场诱导微米棒的复杂组装行为规律，并为掌握胶体颗粒组装的普遍规律，及理解微纳米活性物质的群体行为提供新思路与理论支撑。

胶体马达是一种能够将外界能量转化为动能，在液体中自发运动的人工制备的胶体颗粒，因其在能源、环境、生物医药等领域的潜在应用价值，及对于研究微观活性物质的运动与组装方面的重要意义，引起了科学界的广泛兴趣。近年来科学界对于其自组装现象的兴趣浓厚，但化学反应驱动的胶体马达自组装机理仍不明确。基于这个问题，本项目以双金属微米棒胶体马达为研究对象，首先系统的研究了其个体运动规律，揭示了自扩散泳对于这种马达运动的贡献；在此基础上，系统的开展了不同组分、不同尺寸的微米棒马达在不同环境中的团聚与分散实验研究，并结合数值模拟，初步揭示了在化学场、电场、流体场耦合作用下，颗粒之间电偶极、流体力学相互作用的机制。此外，还研究了微米颗粒在超声波下的平动、旋转，阐明了运动机理；并借助兆赫兹超声波对于微颗粒的操控，实验研究了胶体马达团聚体的分散动力学，发现了其团聚尺寸随时间的不连续变化。..经过三年的研究，本项目很好的完成了预定目标：明确了双金属微米棒马达相互作用的电偶极、流体力学机制；成功实现了胶体马达在超声波-化学场下的复合场驱动；开发了利用兆赫兹超声波研究活性胶体团聚和分散的新技术；建立了能够定性解释化学驱动胶体马达之间相互作用的3D数值模型。以上研究成果有力的推动了活性胶体领域的发展，为进一步理解活性胶体的群体行为和在限域空间的动力学提供了理论基础和实验积累，为微纳米机器的发展与应用中部分关键的科学问题提供了解决思路，也为将于明年开始的面上项目“限域环境下胶体马达的动力学特性实验研究”打下了坚实的基础。