近日，来自哈尔滨工业大学深圳校区的王威团队与合作者提出了一种普适性的方法，可以简便地区分自扩散泳和自电泳这两种原先难以区分的微纳机器。
2022年1月7日，该研究以“Generic Rules for Distinguishing Autophoretic Colloidal Motors”为题，在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.（《德国应用化学》）。
第一作者为博士研究生彭奕鑫，通讯作者为哈尔滨工业大学（深圳）的王威教授。合作者为美国乔治梅森大学的Jeffrey Moran教授。
近二十年来，随着微纳米技术的飞速发展，科学家已经能够利用不同材料，制造尺寸、形状和驱动机制各异的微纳米机器。这些微型机器可以消耗环境中的能量，在微纳米尺度自主运动，有望用于生物诊疗、环境监测、微纳制造等多个重要的领域中，因此引起了人们极大的兴趣。对这种微纳机器的研究，其中一个关键问题是开发高效的驱动方法，并理解驱动的物理化学机制。
就像日常生活中的汽车、轮船和飞机一样，许多微纳机器是通过化学反应来运动的。其中，很大一类化学反应会产生带电的离子，进而通过电场来驱动微纳机器。这样的驱动机制可以进一步细分为自扩散泳（self-diffusiophoresis）和自电泳（self-electrophoresis）两种。这两种机制对应着截然不同的化学物质分布，产生的电场和流体场分布也不一样。但这些微观的差异很难在实验中观测，这就让我们难以准确判断微纳机器的运作机制，进而无法深入研究微纳机器彼此通讯交流和集群控制。而无法准确判断微纳机器的驱动类型，也就难以决定什么场景使用哪种微纳机器更合适。
近日，来自哈尔滨工业大学深圳校区的王威团队与合作者提出了一种普适性的方法，可以简便地区分自扩散泳和自电泳这两种原先难以区分的微纳机器，从而解决了上述问题。这种方法主要是观测微纳机器在不同的颗粒密度下的速度，以及它们的团聚过程。所基于的主要原理是，自扩散泳型微纳机器本质上是一个离子源，因此在运行过程中会不断增大周围环境中的离子浓度。由于离子会屏蔽电场，因此自扩散泳微纳机器的颗粒密度越高，速度会更慢，也会形成不断生长的大团簇（见图1上半部分）。而自电泳型微纳机器则因为产生和消耗离子的速率大致相同，不会改变周围离子浓度，因而无论颗粒密度如何，速度都基本不变，并且会形成尺寸有限的动态团簇（图1下半部分）。因此，通过观测以上两个实验现象，就可以方便、准确地区分两种机制驱动的微纳机器。
图1：区别自扩散泳和自电泳微纳机器示意图
为了验证以上所提的这种思路，作者对6种常见的微纳机器进行了测试。实验结果与上述猜测十分吻合（图2），因此证实了这种区分不同微纳机器的方法的普适性。此外，作者还利用这种方法，成功鉴别了PS-Pt 和 SiO2-TiO2这两种机理尚不明确的微纳机器，发现它们的驱动机制是自电泳，而非学术界许多人认为的自扩散泳。
图2：自扩散泳和自电泳微纳机器的速度随颗粒密度变化和团簇生长过程实验结果
该研究提出的这种判断微纳机器驱动机制的方法，使用简单，无需复杂的测试，在显微镜下便可获得结论。该方法还具有很强的普适性，能够适用于不同材料、形状或大小的微纳机器。此外，这种方法还可以帮助我们阐明酶驱动微纳机器的驱动机制，甚至预测实验中尚未发现的新型微纳机器的运动特性。
这项研究的意义在于，它揭示了不同驱动机制下的微纳机器的速度和团簇行为的不同特征，这不仅对阐明其运动机制有深远的影响，也为研究微纳机器之间的通信、组装、集体行为，和在人体等复杂环境中的运动打下了理论基础。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202116041
