自电泳微马达在化学改性基板附近的运动行为研究

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自驱动微纳米马达是一种能够将外界环境的能量转化为机械功而实现自主运动的微纳米颗粒。其中自电泳马达是一种通过催化反应产生浓度梯度,进而产生电场驱动自身运动的微纳米颗粒。其在远离边界的溶液中的运动模式已经研究得比较充分,而研究马达与环境的相互作用是近年来兴起的一个重要的研究方向。一方面,在这种环境下自驱动系统的运动可能含有某些重要规律,能够用来对马达进行导航;另一方面,通过马达与环境之间的相互作用控制马达运动,对其在芯片实验室等领域的应用很有意义。近十年来,科学界对于基板的几何形状对马达的影响做了许多研究,而对基板本身性质对马达动力学影响的研究还略显不足。因此,本课题着眼马达在边界处的运动,研究自电泳马达在不同性质的基板周围的运动情况。  首先本文采用了超声波声悬浮技术,研究了马达在远离基板附近的动力学特性。结果表明,相对于没有边界存在的无限大溶液中,马达在边界附近的速度有所降低,同时马达运动的方向性也有所增强。此外,本文分别制备了疏水和亲水性的基板,并探索了基板的亲疏水性对马达运动的影响,发现亲水基板与疏水基板上马达的运动无明显差别。最后,通过对基板进行化学改性,在基板表面引进不同电荷,不同表面形貌,发现马达在不同电性基板上运动差异较大。改性同时改变溶液的电导率,发现表面粗糙度及溶液电导率均使马达速度减小。  为了更好地理解马达运动受边界的影响,本文还通过COMSOL多物理仿真软件建立了马达在基板附近的三维数值模型,探索了马达距离基板距离以及基板表面所带zeta电位对马达动力学的影响。模拟结果表明马达的速度随马达距基板距离减小而增大。随着马达距基板距离减小,基板对马达自生电场的压缩效应增强,从而使马达电泳速度增加;同时,马达受到基板电渗流增强,使马达速度减小;总体的趋势是电场压缩效应占主导地位。当基板表面所带电荷与马达相同时,基板引发的电渗流与马达速度相反,使马达的速度减小,且zeta电位绝对值越大,速度减小幅度越大;反之亦然。  通过本课题的研究,初步探索了化学改性边界的不同性质对马达运动的影响,取得了一系列有科学价值的成果,推进胶体颗粒在限域环境中的动力学研究,也为马达在实际环境中的应用打下理论基础。
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