声场驱动的纳米马达的结构特征及操控技术研究

Artificial nanomotors that can realize actuating function in nano scale have many brilliant applications, such as directed drug delivery, nanosurgery, assembling and manufacturing of nano particles, etc. To be specific, acoustic driving nanomotors have advantages of no electromagnetic interference, high biological compatibility and easy controlling performance. Thus, based on designation and application of piezoelectric actuators, multi-physics analyses and ultrasonic micro/nano manipulations, this project aims to propose a novel method of structure selection and manipulation of acoustic driving nanomotors in order to realize precise control of nanomotors’ linear motion. A plate type piezoelectric actuator is designed for generating acoustic field in a liquid drop. According to the working principle of nano particles movement driven by acoustic streaming, speedy, stable and controlled linear motions of nano particles can be obtained by reasonably selecting the particle size and adjusting the exciting signals of the piezoelectric actuator. And consequently those special nanoparticles owning the motor’s basic working ability can be used for driving loads. This investigation will expand working conditions of nanomotors as well as improving the lifetime and working performance. And it also lays the foundation of the load-driving research in nano scale and future applications of nano assembling and directed drug delivery.

纳米尺度下实现作动功能的人造纳米马达在众多方面有着良好的应用前景，包括：癌症药物的定向供给；以细胞为对象的微尺度手术；纳米尺度的装配和加工等。与其他类型的人造纳米马达相比，声场驱动的纳米马达具有无电磁干扰、生物兼容性高、可控性能良好等特点。因此，本项目在压电作动器的设计及应用、多物理场耦合作用分析以及超声微纳操控的基础上，以实现纳米马达直线运动的精确控制为目标，拟提出一种声场驱动的纳米马达的结构优化选择方法和操控技术。利用基板型压电作动器在流体中建立声场，根据声学流驱动纳米物质运动的原理，合理选择颗粒的结构特征并调节压电作动器的激励信号，实现纳米颗粒直线运动的快速性、稳定性和可控性，使特定的纳米颗粒具备马达的基本作动功能。通过开展此项研究，有助于拓展纳米马达的应用场合和提高其使用寿命和作动能力，为进一步开展纳米马达驱动负载的研究和实现纳米组装、药物靶向供给等实际应用奠定基础。

声场驱动的纳米马达具有无电磁干扰、生物兼容性高、可控性能良好等特点。本项目在压电作动器的设计及应用、多物理场耦合作用分析以及超声微纳操控的基础上，以实现纳米马达的运动精确控制为目标，提出了一种声场驱动的纳米马达的结构优化选择方法和操控技术。综合运用理论计算和试验研究的方式，从运行机理、结构设计、试验研究和潜在应用四个方面开展工作，已取得的研究成果包括：（1）根据声流场计算理论，运用有限元仿真技术，建立了特定模式声流场的建模与分析方法，揭示了微结构附近的声流场分布和振动参数的影响规律；（2）运用结构拓扑优化设计的方法，开展了高性能声学换能器件的研究，为探讨结构设计对声操控平台性能的影响规律奠定了基础；（3）制备了不同类型微纳马达，研究了其在声流场中的运动规律，结合微结构引起的局部声流场，对微纳马达进行了定向操控试验研究，并利用生物细胞开展了生物兼容性研究。已构建的典型声操控纳米马达优选10微米的微球作为动子，可在微米级直线微结构，圆柱微结构和迷宫型结构周围实现自主导向运动，最高运转线速度可达75微米每秒。综上所述，本研究在力学模型分析、纳米马达制备、声操控平台设计、试验观测平台搭建和生物兼容性试验方面取得了一定的成果，相关结果将有助于拓展纳米马达的应用场合和提高其使用寿命以及作动能力，为进一步开展纳米马达驱动负载的研究和实现纳米组装、药物靶向供给等实际应用奠定了基础。