武汉理工Chem. Soc. Rev.: 光驱动微纳米发动机

2017 年 10 月 23 日 知社学术圈 许蕾蕾牟方志

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微纳米发动机是一种可以将其他形式的能量转化为机械能的微纳米器件。光作为一种外场可以触发受照射介质发生光致化学反应（如光催化反应等）或光热和光致伸缩效应等物理现象，具有操作方便、能远程控制、可聚焦、成像和精确定位等优点，是控制微纳米发动机运动的一种理想手段。近日，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室和材料科学与工程国际化示范学院的教育部长江学者官建国教授研究团队在英国皇家化学会权威综述期刊Chemical Society Reviews（SCI影响因子38.618）在线发表综述文章 “Light-drivenmicro/nanomotors: from fundamentals to applications”（Chem. Soc. Rev. 2017, DOI: 10.1039/c7cs00516d）。许蕾蕾和牟方志两位副研究员是该文的共同第一作者。

“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军”，著名的物理学家和哲学家爱因斯坦曾说过。随着科技的进步，越来越多的科研工作者开始关注物质的内部，致力于微观世界的构造，微纳米材料的开发与性能研究成为了21世纪的研究热点。早在数十年前，微纳米机器就出现在经典科幻电影《奇妙旅程》中；而电影《未来战士2：审判日》中，由纳米机器人组装的终结者也具有十分强大的功能。可以说，人们对微纳米机器寄予厚望，梦想可以在现实中实现集感知，运动和功能性于一身的微纳米机器。2016年诺贝尔化学奖也被授予从事“分子机器的设计和合成”研究的三位科学家。

微纳米发动机是一种可以将其他形式的能量（如化学能、磁能、超声能等）转化为动能的微纳米粒子或器件，是开发微纳米机器的重要一步，在未来的环境治理，微纳米加工以及生物医药等领域具有卓越的应用前景。微纳米发动机研究的难题在于如何实现对周围环境的感知并作出相应的反应，受自然界中生物运动模式的启发，科学家们利用周围的能源如化学燃料、光、声场、磁场或电场产生推进力，得到了具有不同运动行为及特点的微纳米发动机。在这些驱动方式中，光来源广泛，经济环保；光驱动操作简单，可远程遥控，在环境治理或生物医药领域有着潜在的应用价值。

该综述文章从梳理光驱动微纳米发动机的研究历史入手，主要面向近年来发展迅速的光驱动固体微纳米发动机，涵盖了光驱动固体微纳米发动机的设计策略，驱动机理，应用领域以及面临的挑战和未来的展望。光驱动固体微纳米发动机的重要组成部分是光响应材料。根据光触发受照射介质发生不同的光化学反应和光物理效应，作者将用来构成光驱动发动机的光响应材料分为光催化或光解材料，光热材料和光致异构材料，并详细介绍了其光触发机理。光驱动微纳米发动机的设计策略主要是基于发动机周围非对称场的构筑（图1）。非对称场常用的构筑方式有两种，其一是通过构筑具有非对称结构的发动机，如双面神（Janus）结构微纳米发动机。具有双面神结构的发动机在光照时，由于发动机两侧具有明显差异的光活性，导致其两侧会形成反应物或产物梯度（浓度梯度、温度梯度或气泡等），为发动机的运动提供了驱动力，如一些贵金属和半导体复合粒子（Au/TiO2，Pt/TiO2和Au/SiO2等）。第二种形成非对称场的方式是利用发动机对光的屏蔽效应。由于光在物体中趋肤深度有限，光照时发动机的迎光面和背光面会表现出不同的活性，从而形成梯度，驱动其运动，例如各项同性的TiO2粒子会表现出负趋光性。

图1 光驱动微纳米发动机的设计策略。(A) 非对称结构；(B) 非对称光照

根据微纳米发动机在光触发时驱动力的来源不同，其驱动机理包含了光致电解质梯度，非电解质梯度，温度梯度驱动，光致气泡驱动，光致表面张力驱动以及光致形变驱动。由光催化或光解材料构成的微纳米发动机在光照时会发生非对称的光催化或光解反应，发生反应物的消耗与产物的生成，从而在发动机的周围形成反应物或产物的浓度梯度场。根据反应物或产物的种类不同，此时发动机可以被电解质（如AgCl粒子，TiO2/Pt双面神结构等）或非电解质梯度（如各项同性TiO2粒子等）驱动；当光催化反应或光解反应时有气泡生成时，也可以看作在发动机两侧形成气泡梯度场，此时发动机的驱动机理为光致气泡反冲机理，例如，管状TiO2结构的限域效应使光催化H2O2分解产生的气体很容易在其内部成核生长，形成气泡从管一端释放，推动其反向运动。光致温度梯度驱动则主要发生在光热材料组成的微纳米发动机上，其动力来源于光触发引起的光热效应导致发动机周围温度的非对称升高，产生热泳力，从而推动发动机运动。由于光致温度梯度驱动的发动机不需要燃料且无废物产生，因此在生物医药应用上优势显著；光致表面张力驱动和光致形变驱动则主要发生在由光致异构材料构成的发动机上。光致异构材料（如偶氮苯及其衍生物等）构成的发动机在特定波长光照时会发生顺-反异构，表层分子的异构会导致界面张力的变化，从而形成界面张力梯度，驱动其朝着减小梯度的方向运动；光响应的液晶弹性体在光照时由组成分子顺-反异构引起的伸缩形变，可以使其沿着形变方向运动，也可以认为是一种光驱动发动机。

图2 光驱动微纳米发动机的驱动机理。

近年来开发的光驱动固体微纳米发动机主要在环境治理，货物运输以及生物医药等领域表现出了潜在的应用价值；当微纳米发动机被固定后，也可作为微型泵来驱动流体运动。但是光驱动微纳米发动机有待提高的驱动力和生物相容性限制了其目前的研究还主要集中在实验室研究阶段。作者认为，未来光驱动微纳米发动机主要的发展方向是智能化，集导航，运输及功能化（如吸附、催化或药物释放等）于一身。例如，在环境治理方面，理想的微纳米发动机可以实现快速的自主运动，具备智能化传感与环境净化的能力；在生物医药方面，具有精准的定位，快速的运动以及有效的诊断和治疗以及较好的生物相容性的微纳米发动机是我们所需要的。因此对于光驱动体系来说，基于光热效应的红外光驱动的微纳米发动机在这方面优势显著。文章中，作者结合光驱动微纳米发动机的研究现状，针对其目前有待提高的驱动力和生物相容性等问题提出了未来的光控微纳米发动机的发展方向，并为未来智能化光驱动发动机的发展规划了蓝图，指出光控微纳米发动机速度的提升和通讯能力的改进是未来发展的重中之重。

综述中引用的官建国教授研究团队近年来在光驱动微纳米发动机及相关方向发表的论文，包括Adv. Mater. 2017, 29, 1603374（ESI高引频论文）; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017,9, 22704−22712； ACS Nano 2016, 10, 10389-10396； ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 9395−9404；Appl. Catal. B: Environ. 2016, 184, 309–319；J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16562-16568；Nanoscale 2016, 8, 4976-4983(背封文章); RSC Adv., 2016, 6, 10697–10703； Small, 2015, 11, 2564–2570; Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 6173-6181(背封文章)； Chem. Commun., 2015, 51, 12455-12458； ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 9897-9903；Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 7208-7212；Int. J. Hydrogen Energy, 2013, 38, 816-822（ESI高引频论文）； Chem. Commun., 2012, 48, 7301-7303； ChemCatChem 2012, 4, 1353–1359；J. Colloid Interface Sci. 2012, 377, 160–168等。