金属-非金属Janus颗粒在限域和电场下的运动研究

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微纳米颗粒能够吸收环境中的声、光、电、磁、热、化学等能量实现自身运动,可以完成药物运输、环境监测和传感等功能。电场驱动微纳米颗粒因其有非接触,无需双氧水等有害物质的优点,具有重要的研究价值。之前关于电场驱动微纳米颗粒的研究主要集中于颗粒在无限大平板上,而实际环境中会存在各种限域环境,如空间限域、流体限域、电场限域等。基于此,本课题对限域环境中电场驱动颗粒的运动规律进行研究。实验中制备了球形Janus颗粒和棒状Janus颗粒。通过电子束蒸发的方法,在SiO2小球表面蒸镀一层Ti制备得到球形Janus颗粒。因为棒的特殊结构,实验中制备了两种类型的棒状Janus颗粒。一种是沿着棒的径向形成的Janus颗粒,即通过在金棒表面蒸镀一层SiO2,得到沿着径向的棒状Janus颗粒。另一种是沿着棒的长轴方向形成的Janus颗粒,即利用电化学沉积的方法,制备Au-Rh棒,然后在650℃下保温2 h,得到沿长轴方向的Janus棒。为了得到限域环境并研究不同电场环境下马达的运动状态,实验中通过光刻制备三种不同形状的叉指电极,分别是直角电极、倾斜电极和蚊香电极。通过对球形Janus颗粒在直角电极上运动速度大小的研究,我们发现颗粒运动速度与交流电的电压平方成正比,与频率成反比。在倾斜电极和蚊香电极上,因为颗粒频繁转向的影响,只能得到电压越大,颗粒速度越快,频率越高,颗粒速度越低的定性结论。实验中发现,球形Janus颗粒在叉指电极上会产生定向输运的现象。由于感生电渗的作用,在直角电极和倾斜电极的根部都会出现颗粒因为定向输运而引起的堆积现象;而在蚊香电极中,通过感生电渗定向输运的颗粒只在电极的开口处出现。实验中发现,Au-SiO2棒状Janus颗粒和Au-Rh2O3棒状Janus颗粒在叉指电极上不能自主运动,但是在不同的频率下会表现出不同的形态。在直角电极上低频(1kHz)下,棒状Janus颗粒呈现“躺着”的形态;在中频(5kHz)下,呈现“立着”的形态;在高频(10kHz)下,颗粒会沿着电极边缘排布。此外,交流电的电压、棒状Janus颗粒的组成、形式等因素也会影响颗粒的形态。通过本课题的研究,我们探究了在限域环境下电场对Janus颗粒的速度和形态的影响,获得了一系列有价值的结论,为微纳米马达的定向输运和回收等应用提供了新思路。
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