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Nature子刊背靠背,诺奖“分子机器”引潮流:香港大学新型光驱动微型马达

2016年诺贝尔化学奖授予了Jean-Pierre Sauvage、J. Fraser Stoddart以及Bernard L. Feringa,以表彰三位科学家对“分子机器的设计与合成”做出的卓越贡献(点击阅读详细)。计算机技术的发展可以看作是一场设备小型化带来的技术革命,今年的诺贝尔化学奖工作也有这个潜力,有希望把化学研究带入了一个全新的维度。从发展的眼光看,分子机器很有可能会在未来的新材料、传感器、医疗、储能系统等多个领域大显身手,也为化学研究带来了一股“清流”。近期,纳米技术顶级期刊Nature Nanotechnology就背靠背发表了两篇与分子机器相关的研究论文,可见其火热程度。


在第一篇论文中,来自香港大学(University of Hong Kong)的唐晋尧教授(Tang Jinyao)受绿藻的趋光性所启发,研发出“双面纳米树(Janus nanotree)”结构的微型马达(microswimmer),在光照条件下,马达两端的光电阳极和光电阴极分别释放出阳离子和阴离子,由离子梯度产生的局部电场能够实现马达的自驱动。此外,通过化学修饰,使马达拥有感知外部光源的光照方向并实现正负趋向性的能力,成功模拟了绿藻的群体趋光行为。(Programmable artificial phototactic microswimmer. Nat. Nanotech., 2016, DOI: 10.1038/NNANO.2016.187)。

唐晋尧教授(左三)、Baohu Dai(本文一作,左二)及其团队。图片来源:香港大学


研究人员首先设计出这种双面纳米树状结构,他们利用硅线做为主杆,其中一端修饰上TiO2纳米线作为光电阳极,另一端修饰以Pt纳米粒子作为光电阴极。依此设计,研究人员以硅片为基底,在其表面生长上垂直的硅线阵列,接着负载上Pt纳米粒子作为欧姆接触层,再覆盖一层聚合物,并通过缓慢蒸发溶剂的方法使硅线顶端暴露出想要的长度,然后在暴露出的顶端沉淀上TiO2种子层,进一步生长成为TiO2纳米线,最后将其从硅片基底上刮下来,就得到双面纳米树状结构的材料。

双面纳米树状结构的设计及制备过程。图片来源:Nat. Nanotech.


由电镜图可以看出,纳米树的尾部约7 μm,头部的TiO2纳米线约为4 μm,并且硅与TiO2都是单晶,这将有利于良好的光电化学活性和导电性。

基底上的纳米树的SEM(左)及单个纳米树的TEM。图片来源:Nat. Nanotech.


在氧化还原对体系(双氧水或氢醌和醌)及紫外光照的条件下,光驱动光电化学反应,在光电阳极和光电阴极分别产生阳离子和阴离子,由此产生的离子浓度梯度形成局部的电场,为马达提供推动力。而TiO2纳米由于头部较大,其遮光效应可以为马达提供转向,朝着光照的方向运动。

微型马达在光照条件下运动。图片来源:Nat. Nanotech.


研究人员进一步研究发现,Zeta电势对马达的运动方向和头尾朝向起着关键作用。他们发现马达整体的Zeta电势可以决定其向光还是背光运动(positive phototaxis or negative phototaxis),而头部TiO2纳米线的Zeta电势可以决定其头向前还是尾向前的运动(head-forward or tail-forward direction)。基于此,研究人员通过化学修饰的方法来调整Zeta电位,实现了编程控制马达的运动方式

编程可控的马达运动方式。图片来源:Nat. Nanotech.


在一个小视频中,研究团队控制微型马达写下了“nano”这个词,很是惊艳全场。


视频来源:Nat. Nanotech.


此外,研究人员还通过只照射马达的一面来实现马达的旋转。这是由于两面产生不同的光反应速率引起非对称的离子分布,从而产生垂直于树轴方向的电场及扭转力矩,最终使得马达旋转,也就使马达具备了光控的导向功能。最后,研究人员利用这种微型马达,成功地模仿了绿藻群体趋光的行为。

旋转的马达。图片来源:Nat. Nanotech.


宾夕法尼亚州立大学(The Pennsylvania State University)的Ayusman Sen教授对此应用前景展望道:“一个有趣的应用是通过大量的马达来研究自然界的群体行为,这使得我们可以探索活体内复杂的组装行为。”但他同时担忧这种马达的局限性,“基于电泳设计的马达有两方面的局限性,一是在高浓度环境下,如生物体或海洋中,电泳的效果会大打折扣;二是在非极性有机溶剂中,电泳不会产生作用。但考虑到TiO2有光降解有机污染物的功能,马达的运动产生的搅拌可以加速光氧化的速率。总之,分子机器展现其优越性的道路还很漫长。”


1.http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.187.html

2.http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.222.html


(本文由供稿)


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