2016年,诺贝尔化学奖授予了三位研究分子马达的科学家;2018年,诺贝尔物理学奖授予发明了“光学镊子”的三位科学家。这两项大奖的获奖原因,都是与微型机器或者微观粒子控制手段的工作相关,这表明利用合适的控制手段来操控微型机器的重要性。微米马达是指大小在微米尺寸,具有某些功能或者能够完成特定任务的微型设备。虽然关于微米马达的研究已经在材料的选择、构造方法,推动机理和应用方面取得很大的进展,但是目前微米马达的研究主要是利用固体材料,而很少有研究利用液体来构造微米马达。而且构造过程比较复杂,通常需要昂贵的大型设备。在运动机理方面,大多数都是研究单个马达的运动行为,而对微米马达聚集效应及控制聚集体的研究还少之又少。在应用方面,开发多功能的微米马达,仍然是一大挑战。本论文中,主要工作包括以下三个部分:1.不同于之前基于固体材料的微米马达,利用液体高速搅动产生的剪切力,我们构造了一种白光驱动的能够在油溶液中运动的液体(水滴、血清和尿液等)马达。有趣的是,基于螺吡喃在油溶液中的光致变色和热效应,液体马达能够表现出正驱光和负驱光的运动特性。另外,光在控制液体马达的运动行为方面显示出极大的多功能性,可以比较精确地控制其做往返运动。此外,我们已经证明,相比于固体微米马达,液体微米马达具有独特的优势。利用正驱光和负驱光的协同作用,不仅能够将负载不同反应物的液体微米马达进行融合和反应,而且还能够捕获和运输货物。2.利用聚己内酯(PCL)和镁颗粒,通过微乳液法,合成了一种PCL/Mg Janus微米马达。由于Mg与贵金属离子之间的置换反应,PCL/Mg Janus微米马达可以在含有贵金属离子的过氧化氢溶液中运动。由于运动速度高度依赖于离子种类及其浓度,因此PCL/Mg Janus微米马达可用作具有良好选择性和灵敏度的基于运动的金属离子传感器。此外,由于Mg能够在氯离子(Cl-)存在下推动整个PCL/Mg Janus微米马达运动,因此与不动的镁颗粒相比,氯盐水驱动的PCL/Mg微米马达在贵金属清除和回收方面表现出更高的效率。所以,PCL/Mg Janus微米马达是一种多功能马达,既可以检测贵金属离子的种类和浓度,还可以清除和回收贵金属离子。3.利用聚苯乙烯微球,在其上面包覆一层聚多巴胺(PDPM)层,就可以制备得到聚多巴胺微米马达。在红外光照射下,PDPM微米马达会向光斑处运动并聚集,形成聚集体。其机理可能是由于PDPM微米马达在红外光照射下,聚多巴胺层基于光热效应,导致温度局部上升,引发热对流,带动沉积在基底上的马达向光斑处运动。在对流和重力的作用下,马达在光斑处聚集。而且当改变光斑的路径时,聚集体也会随着光斑移动,所以可以通过光斑来控制聚集体的运动。利用这个现象,通过改变光斑的路径,可以得到各种不同的聚集体形状,甚至可以操控聚集体形成文字,甚至动物的简笔画。