微纳米马达是一类能够将其他形式的能量转化为机械动能,进而实现自主运动的微纳米材料,已广泛应用于很多领域。相比于其他形状的微纳米马达,球壳状微马达拥有更大的比表面积和天然不对称的结构,从而可以提供更多的修饰及反应位点,以便更好的获得驱动力及进行生物传感。在化学能驱动的微纳米马达中,通过生物修饰制备的马达相比其他无机或有机材料制备的马达具有更好的生物相容性,从而具备更加广阔的应用前景。针对不同应用环境的需求,需要制备多粒径尺度的生物修饰微纳米马达,并研究其驱动机制。另外,储能型微纳米马达的开发也势在必行。本论文工作制备了不同粒径的生物酶驱动的微纳米马达,研究了这些马达的驱动方式并提出了相应的驱动机制。同时,开发了一种可以短时间储能的微纳米马达,并探究了其储能性能及影响因素。具体如下:1.生物酶驱动的壳状微马达的运动机理研究半球开口的壳状微马达由于其天然的不对称结构和大开口特性,便于生物修饰,具有很好的生物应用前景,基于此,本工作制备了一系列不同尺寸的壳状微马达并研究了其运动机理。本论文制备了六种不同粒径的壳状微马达,直径分别为500 nm、1μm、2μm、5μm、10μm和20μm,修饰在其内表面上的过氧化氢酶可以分解过氧化氢产生氧气进而获得驱动力,从而实现自主运动。研究发现,由于球壳内部局域空间大小和催化反应速率之间存在差异,不同粒径的微纳米球壳在过氧化氢溶液中呈现出不同的气泡产生和释放形式,进而导致了马达不同的驱动方式。我们发现,在直径大于5μm的微壳马达中,马达内表面可以快速产生和释放氧气气泡,从而获得强的驱动力,所以在高浓度过氧化氢溶液中呈现出趋向性明显的平移运动;而对于直径小于5μm的微壳马达,只能低速产生气泡,导致驱动力较弱,所以它们在过氧化氢溶液中只能出现缓慢的抖动。虽然这些微壳马达的运动均受过氧化氢浓度的影响,但相比大粒径微壳马达,小粒径微壳马达内部小的局域空间限制了分子的传质过程,因此其运动受过氧化氢浓度的影响较小。利用葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的协同作用,本工作还研究了以葡萄糖为燃料分子的双酶型微壳马达。2.微壳马达的储能运动研究现有的微纳米马达均需要在有燃料分子的环境溶液中才能持续产生自主运动,这极大限制了它们在诸多领域的应用。本工作基于毛细作用,研究了过氧化氢驱动的微壳马达的储能运动及其影响因素。实验表明,微壳马达的储能性能与微壳粒径相关:2μm的微壳马达具备一定的储能运动能力,即在高浓度过氧化氢中充能并重新分散至无过氧化氢的环境中后,该微壳马达仍然能够维持其运动活性一段时间,而10μm的微壳马达没有储能运动性能。我们分析微壳马达的储能运动主要取决于3个方面:1)微壳材料的毛细作用,这主要体现为马达在从高浓度燃料分子溶液到空白基底的过程中的燃料保存能力;2)微壳马达在空白基底中对燃料的储存能力,这主要体现在马达内表面的反应速率和燃料的对内对外扩散;3)微壳马达的驱动机制,这主要体现在马达内部驱动气泡的产生形式、马达自身的运动方式及其实现运动时的最低浓度阈值。由于微壳马达的驱动机制由其粒径决定,所以这也是造成2μm和10μm微壳马达储能运动性能不同的主要原因。储能微纳米马达的发展将极大地改进马达在时间维度上的运动表现,对微纳马达的实际应用具有重要意义。