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  本文報道了一種高度可控和可編程的自組裝工藝，使用微流控技術(shù)批量制造的各向異性微馬達(dá)在全區(qū)域紅外輻照下實(shí)現(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動。其中單個微馬達(dá)表現(xiàn)出平移和公轉(zhuǎn)模式，而其自組裝結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出額外的自轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過定制自組裝結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)心儀的運(yùn)動模式。

  具有多種運(yùn)動模式的光驅(qū)動微馬達(dá)比單模式微馬達(dá)具有更大的應(yīng)用潛力。例如，線性或曲線運(yùn)動在貨物運(yùn)輸中表現(xiàn)出潛力，而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的周期性和連續(xù)性則有利于齒輪傳動或小規(guī)模混合。然而，實(shí)現(xiàn)這種多功能性往往需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精確的光聚焦策略，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，同時也對精確的動態(tài)操作和微尺度任務(wù)提出了挑戰(zhàn)。近日，香港城市大學(xué)機(jī)械工程系朱平安課題組報道了一種簡便的、無需精確的光聚焦策略實(shí)現(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動的微馬達(dá)系統(tǒng)，通過微流控技術(shù)批量生產(chǎn)出各向異性微馬達(dá)，在全區(qū)近紅外照射下，單個微馬達(dá)在水面上展現(xiàn)出平移和公轉(zhuǎn)運(yùn)動。此外，通過毛細(xì)相互作用形成的自組裝結(jié)構(gòu)顯示出額外的自轉(zhuǎn)運(yùn)動。該自組裝過程表現(xiàn)出高度可控性和可編程性，有望推動以多模態(tài)的單個微馬達(dá)作為基礎(chǔ)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)各種智能自推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展。相關(guān)工作以 Programmable assemblies of photothermal anisotropic micromotors for multimodal motion 為標(biāo)題發(fā)表在Materials Horizons上。

單個微馬達(dá)的運(yùn)動

圖2.微馬達(dá)周圍產(chǎn)生的溫度場

微馬達(dá)的可控自組裝

圖3.微馬達(dá)的自組裝機(jī)理和特性

圖4.多個微馬達(dá)的自組裝行為

自組裝超結(jié)構(gòu)

  當(dāng)微粒數(shù)量達(dá)到10個時，自組裝結(jié)構(gòu)大致保持鏈狀形態(tài)。然而，隨著數(shù)量增加到20、30、40和50時，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛啥鄠�支鏈組成的分形超結(jié)構(gòu)，且相同數(shù)量的微粒所形成的結(jié)構(gòu)具有相似的特征半徑。此時產(chǎn)生的超結(jié)構(gòu)的尺寸大于NIR尺寸，只有暴露在NIR照射下的微粒才能將光轉(zhuǎn)化為熱能以驅(qū)動運(yùn)動（圖5d）。因此，可以將超結(jié)構(gòu)的不同部分暴露于NIR照射下來調(diào)整運(yùn)動的方向、軌跡甚至模式。

圖5. 超結(jié)構(gòu)自組裝組件的特性

  論文信息

  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).

  鏈接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/MH/D4MH01346H