基于金属有机框架材料的螺旋状磁驱动微纳米马达及其动态吸附行为

The micro/nanomotors are nanometer or micrometer-sized devices which can be activated by chemical reactions or external physical energy sources (light, ultrasound, magnetic field or electrical field), and they exhibit attractive potential in pollutant adsorption or degradation in water environment. The key innovative point of the present work is：We will use dynamic metal organic frames-based magnetic-driven micro-nanomotor as an adsorption mode to demonstrate the relationship between the motors’ motion behavior and their adsorption properties by investigating the dynamic adsorption behavior of micro-nanomotors under a controllable motion system, this work will be helpful for us to further understand the dynamic adsorption behavior from a brand new perspective. As a result, we are going to mimic the escherichia coli propulsion behavior which is caused by rotating the flexible flagellum and prepare a helical (metal organic frames) MOFs-based micro-nanomotors propelled by rotating magnetic field as dynamic adsorptive materials modes, then systematically investigate the variation law of the dynamic adsorption properties under different motion behavior, finally, figure out the relationship between the motion behavior and adsorption properties. This work is useful for further understand the dynamic adsorption behavior of micro-nano adsorptive materials, meanwhile, it also can help to realize the efficient adsorption performance regulation of the dynamic micro-nanomotors by motion behavior control and promote the development of mciro-nanomotor-based technology in environment remediation.

微纳马达是指可将各种能量（光、电、磁、热、电、化学能等）转化为自身机械能的微纳米尺度运动器件，在水环境污染物吸附、降解等领域显示出极佳的应用前景。本项目主要创新及特色在于: 以有机金属框架材料（MOFs）构建的动态微纳马达作为吸附模型，以常见有机污染物为吸附对象，从探究可控运动下微纳马达的动态吸附行为入手，阐明微纳马达的运动行为与吸附性能的关系，从全新的角度进一步认识微纳米吸附材料的吸附行为。为此，本项目拟构建具有较好吸附能力的螺旋状MOFs基磁驱动微纳马达，模仿大肠杆菌旋转鞭毛产生定向运动的方式，利用旋转磁场将其驱动。系统研究马达在不同运动状态下的动态吸附性能，阐明其运动行为对吸附性能的影响。本研究结果有助于进一步认识微纳米吸附材料的动态吸附行为，同时对有效调控微纳马达的吸附性能并推进微纳马达在环境治理领域的研究提供有益的借鉴。

微纳马达是指可将外界能量（光、声、磁、热、电、化学能等）转化为自身机械能的微纳米尺度运动器件。一方面，得益于微纳马达体积微小、运动可控的特性，其在微管和微腔体内的水污染处理表现出突出的灵活性；另一方面，马达的高速运动形成的自搅拌效应可有效替代传统污水处理技术中的机械搅拌，从而更具有经济、环保、高效的优势。因此，微纳马达在水环境污染物吸附、降解等领域显示出极佳的应用前景。本项目主要研究内容为以动态MOF磁驱动微纳马达为吸附模型，以常见有机污染物为吸附对象，从探究微纳马达的动态吸附行为入手，阐明微纳马达的运动行为与吸附性能的关系，从全新的角度进一步认识微纳米吸附材料的吸附行为。本项目首先设计、制备了多种磁驱动型微纳米马达，包括螺旋状MOF基磁驱动微米马达和MOF基磁驱动棒状纳米马达，并通过多种测试手段，系统表征了其结构和材料特征，证实了目标结构的准确性，掌握了成熟的制备工艺。其次，系统研究各种马达的运动行为控制。通过调控磁场频率、强度、方向等参数，掌握马达最佳运动条件。实验证明马达的运行速度主要由磁场旋转频率影响。马达的运动性能并非和频率一直是正相关的关系，而是取决于输入频率和失步频率的关系，磁场旋转频率小于失步频率时，马达的运动性能和磁场的旋转频率成正相关，反之，则负相关。最后，我们系统研究基磁驱动纳米马达的运动行为和吸附性能之间的关系。实验表明，其吸附性能与运动速度呈现正相关性；在此基础上，我们进一步研究了运动行为和降解性能、细胞运输性能之间的关系，均发现有类似的结论。此外，项目开展期间，在研究磁驱动微米马达运动行为和应用性能之间的关系的基础上，我们在马达的运动控制和应用两方面开展了一些拓展性研究。本项目专注于马达运动行为与吸附性能的关系，且拓展研究了马达运动行为与其他应用性能之间的关系，研究结果对有效调控和提升微纳马达的应用性能并推进微纳马达在环境治理和生物医学领域的应用研究具有较好的借鉴意义！