本文报道了一种高度可控和可编程的自组装工艺,使用微流控技术批量制造的各向异性微马达在全区域红外辐照下实现多模态运动。其中单个微马达表现出平移和公转模式,而其自组装结构则表现出额外的自转运动,通过定制自组装结构可以实现心仪的运动模式。
具有多种运动模式的光驱动微马达比单模式微马达具有更大的应用潜力。例如,线性或曲线运动在货物运输中表现出潜力,而旋转运动的周期性和连续性则有利于齿轮传动或小规模混合。然而,实现这种多功能性往往需要复杂的结构设计和精确的光聚焦策略,这增加了系统的复杂性和成本,同时也对精确的动态操作和微尺度任务提出了挑战。近日,香港城市大学机械工程系朱平安课题组报道了一种简便的、无需精确的光聚焦策略实现多模态运动的微马达系统,通过微流控技术批量生产出各向异性微马达,在全区近红外照射下,单个微马达在水面上展现出平移和公转运动。此外,通过毛细相互作用形成的自组装结构显示出额外的自转运动。该自组装过程表现出高度可控性和可编程性,有望推动以多模态的单个微马达作为基础构件实现各种智能自推进系统的发展。相关工作以 Programmable assemblies of photothermal anisotropic micromotors for multimodal motion 为标题发表在Materials Horizons上。图1展示了由光热马兰戈尼效应驱动的微马达的设计与制造。该微马达由一个各向异性的子弹状聚二甲基硅氧烷(PDMS)微颗粒构成,其一侧分布着Fe₃O₄纳米颗粒(NPs)。当微马达在水面上受到NIR照射时,Fe₃O₄-NPs通过光热效应吸收NIR光并将其转化为热能以产生温度梯度(图2a),进而导致表面张力不平衡,驱动微马达从低表面张力区域向高表面张力区域,即从热区向冷区移动。微马达的运动受其在水面上的方向影响,表现出平移或公转运动。与单个单元不同,群体和组装体在自然界中可以表现出复杂的集体行为和协作功能。有趣的是,我们的实验表明多个微马达可以自发组装成更高级的结构并展现出单个微马达不具备的自转运动。该自组装过程由毛细相互作用驱动,最常形成的为链状结构,有趣的是,微马达可以在组装过程中调整其方向。例如,最初彼此平行的微马达可以旋转以形成链状结构(图3c)。此外,微马达的形状各向异性促进了多样且精确的结构形成,其种类随着微马达数量的增加而呈指数增长。例如,双电机自组装结构仅呈现3种链状结构,而三电机自组装结构则高达 16 种链状结构。通过研究不同自组装结构的运动特性,发现链状结构展现出高度可控和可预测的运动行为。当Fe₃O₄-NPs同侧分布时产生平移运动,而异侧分布则导致多种运动模式,包括自转、平移和复合运动。当微粒数量达到10个时,自组装结构大致保持链状形态。然而,随着数量增加到20、30、40和50时,结构转变为由多个支链组成的分形超结构,且相同数量的微粒所形成的结构具有相似的特征半径。此时产生的超结构的尺寸大于NIR尺寸,只有暴露在NIR照射下的微粒才能将光转化为热能以驱动运动(图5d)。因此,可以将超结构的不同部分暴露于NIR照射下来调整运动的方向、轨迹甚至模式。此外,通过控制微粒形成特定长度的短链,这些链可以在光或磁场的引导下被定位和组合,形成复杂的图案,如卡通小人、英文字母和汉字。这种方法在构建用于信息编码的智能材料和系统方面具有重要潜力。结合光和磁场可以精确控制微马达的运动行为使其更加多样化。其中光场引发光热马兰戈尼效应以产生运动,而磁场用于调整微马达的运动方向。这种双重控制实现了复杂的运动能力,如绕行和振荡运动(图5g)。该工作开发了一种高度可控和可编程的微马达自组装系统。通过定制自组装结构的图案可以实现所需的运动模式。该目标能通过操控微马达在水面上的方向、角度和相对位置,以及变更微马达的数量来轻松实现。这些结果是在无需复杂后处理或精细结构设计的情况下达到的,完全依赖微马达固有的自组装能力。此外,引入控制场(如磁场)可以调节自组装过程,以形成预设的超结构,这有望为智能材料或结构的制造提供指导。论文第一作者为香港城市大学机械工程系博士生赵文昌,通讯作者为香港城市大学机械工程系助理教授朱平安博士。
论文信息
Wenchang Zhao, Shiyu Wang, Ying Zhou, Yanhong Li, Shuxian Tang, Yutong Zheng & Pingan Zhu*. Programmable assemblies of photothermal anisotropic micromotors for multimodal motion. Materials Horizons, doi: 10.1039/D4MH01346H (2025).
链接:
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/MH/D4MH01346H
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