综述：基于纳米建筑学的纳米 / 微型机器人用于环境修复及其他应用的工程设计

本文聚焦纳米 / 微型机器人，阐述纳米建筑学在其设计中的应用及在环境修复等领域的潜力。

　　

纳米 / 微型机器人：环境修复的新希望

在当今时代，环境问题愈发严峻，塑料垃圾充斥深海、太空垃圾四处飘散、水资源日益稀缺，这些问题不仅影响生态平衡，还对人类健康构成严重威胁。低维度、分子和原子层面的污染物，如纳米 / 微塑料、药物残留、重金属、油污染物和各类有机物质，广泛存在于环境中，并通过食物链进入生物体，其中纳米 / 微塑料的积累更是成为亟待解决的环境难题。

为应对这些挑战，科学界积极探索新方法，纳米 / 微型机器人应运而生。纳米 / 微型机器人是一种智能、通用且高效的微小机器，能够在特定环境中自主驱动，实现污染物的检测、捕获、运输、降解等功能，在环境修复领域展现出巨大潜力。

纳米建筑学：构建动态纳米系统的关键

纳米建筑学是 21 世纪初由 Masakazu Aono 提出的，它是一种用于精确纳米工程的方法，旨在从原子、分子和纳米单元构建功能智能的纳米系统。纳米建筑学整合了纳米技术、有机和无机化学、超分子化学、物理化学等多个领域的知识，提供了原子 / 分子操纵、材料创造和先进器件制造的工具。在纳米尺度下，热 / 统计涨落、相互作用和量子效应等现象会显著影响宏观结构和性能，纳米建筑学正是利用这些特性，将纳米对象组织成先进的功能动态系统，并评估功能之间的协同作用及其在宏观尺度的投影。例如，在原子开关、分子机器和转子、自组装单分子层等动态材料系统中，纳米建筑学发挥着重要作用，为分子操纵、可切换催化、自修复能力、光捕获特性和分子识别提供解决方案，进而推动神经形态网络、环境应用、功能电子器件和生命科学等宏观复杂智能系统的设计。

纳米 / 微型机器人的独特魅力

纳米 / 微型机器人与传统静态纳米 / 微粒的显著区别在于其具有推进能力和先进功能。

• 推进能力：纳米 / 微型机器人的推进方式多样，主要分为化学燃料驱动和外部场驱动。化学燃料驱动中，常见的燃料如 H₂O₂在纳米 / 微型机器人表面分解，产生化学梯度，推动机器人运动。以 Janus 型纳米 / 微型机器人为例，其由非活性核心和部分催化活性表面涂层组成，可通过非均匀铂涂层或酶过氧化物酶修饰实现。H₂O₂在铂表面分解为水和氧气，氧气产生的不均匀化学梯度成为推进动力。此外，还有基于尿素、葡萄糖等燃料的纳米 / 微型机器人被研发出来。不过，化学燃料驱动在复杂水性介质中存在局限性，如离子干扰和燃料消耗等问题。外部场驱动包括光、磁、超声和电场等。光驱动纳米 / 微型机器人通常选用半导体基光催化材料，如 TiO₂、ZnO 等。其推进机制源于光吸收产生的电子和空穴与环境相互作用生成离子物种，可通过表面修饰金属层或不同（半）导电材料增强电荷分离，提高离子物种生成。在有 H₂O₂存在时，还可通过光催化分解 H₂O₂实现推进。但紫外光驱动存在危害生物、穿透性差等问题，因此寻找可见光和近红外光驱动的材料成为研究热点。磁场驱动纳米 / 微型机器人通过整合磁性材料实现推进和导航，具有无线导航、无需燃料、可集体行为、易回收等优点，但磁性材料选择相对有限，导航设备复杂昂贵。此外，还有声波和电场驱动的纳米 / 微型机器人，不过它们的应用更具针对性。
• 功能多样性：纳米 / 微型机器人的功能十分丰富，可根据需求设计为捕获、运输、释放、降解、转换和催化等。例如，在检测应用中，纳米 / 微型机器人的推进能力使其能够主动检测污染物，结合光致发光等技术，可实现对低浓度污染物的高效监测。在捕获污染物方面，可通过选择传统吸附材料、调整表面电荷或利用疏水 - 亲水相互作用等非特异性方式，也可借助特定的主 - 客体相互作用和选择性物理相互作用实现选择性捕获。运输污染物时，纳米 / 微型机器人可结合捕获和释放能力，利用外部场实现精确导航。在降解污染物方面，可通过（光）催化或酶促反应实现，光催化降解利用半导体材料产生的活性氧物种（ROS）降解有机污染物，酶促降解则具有特异性，但对环境要求较高。此外，纳米 / 微型机器人还可用于机械破坏生物膜，其运动可破坏生物膜结构，结合 ROS 的抗菌作用和抗生素等负载，能更高效地根除生物膜。

纳米 / 微型机器人在环境修复中的应用

纳米 / 微型机器人在环境修复领域应用广泛，可在不同环境中发挥作用，且修复机制多样。

• 不同环境中的应用：环境修复涉及水、土壤和生物体等多种环境。在水溶液环境中，纳米 / 微型机器人的推进受介质粘度、pH 值、离子强度以及自身尺寸、形态和表面电荷等因素影响。尽管存在挑战，但已有纳米 / 微型机器人可在河水、海水和生物流体等复杂环境中运行。在土壤环境中，也有相应设计的纳米 / 微型机器人，以适应土壤的特殊性质。
• 修复机制：纳米 / 微型机器人的环境修复机制包括检测、捕获、运输、降解和机械破坏等。检测方面，纳米 / 微型机器人凭借推进能力实现 “即时” 检测，提高效率，且磁性纳米 / 微型机器人便于收集和重复使用。捕获过程中，可通过非特异性吸附或选择性相互作用实现，后者能提高捕获的针对性。运输时，纳米 / 微型机器人可按需捕获、运输和释放污染物，利用外部场实现精确导航。降解过程可通过光催化或酶促反应进行，光催化降解广泛应用于有机污染物降解，酶促降解则更具特异性。机械破坏主要用于生物膜的根除，纳米 / 微型机器人的运动结合其他杀菌手段，能有效破坏生物膜。

基于纳米建筑学的纳米 / 微型机器人设计

纳米建筑学为纳米 / 微型机器人的设计提供了系统方法，从纳米尺度到分子和原子层面，都有相应的设计策略。

• 纳米尺度的设计：在纳米尺度，首先要根据应用需求确定纳米 / 微型机器人的尺寸、形态和主要材料，这些因素对其推进能力、监测可能性和功能多样性至关重要。例如，尺寸影响扩散系数和监测能力，形态决定运动机制和轨迹。对于化学燃料或光驱动的纳米 / 微型机器人，打破形态对称性可实现有效推进，如通过形成 Janus 型粒子或非均匀表面修饰。金属层涂层是常用的打破对称性的方法，可实现高效催化和电荷分离。例如，铂涂层可催化 H₂O₂分解，不同金属涂层还可影响光催化纳米 / 微型机器人的电子结构和推进性能。此外，还可通过模板法、自聚集和自组装、纳米粒子和量子点装饰以及生物模板法等对纳米 / 微型机器人进行功能化设计。纳米粒子装饰可赋予机器人多种功能，如磁性纳米粒子用于导航，MnO₂纳米粒子用于吸附重金属。量子点则可利用其独特的光学和电子性质，实现荧光检测和电荷转移增强等功能。生物模板法利用天然生物模板，减少人工材料的使用，如利用螺旋藻和绿藻等生物模板制备纳米 / 微型机器人，用于污染物吸附和降解。
• 界面设计：纳米建筑学在界面的应用通过特定工具在单分子层面进行横向操作，形成高度有序的结构。可利用模板或乳液限制横向尺寸，精确调整纳米 / 微型机器人的结构。例如，在液 - 液、液 - 气或固 - 液界面，通过模板法制备具有特定功能的纳米 / 微型机器人，如利用多孔聚碳酸酯膜制备 ZIF - 8 基微机器人，用于铀的去除；通过乳液法制备介孔二氧化硅纳米机器人，用于重金属捕获。
• 分子层面的设计：在分子层面，可通过聚合、分子自组装、表面装饰等方法对纳米 / 微型机器人进行精细调整。聚合物在纳米 / 微型机器人的制造中具有重要作用，可作为推进组件或用于表面功能化。例如，通过 Glaser 型缩聚反应聚合半导体共轭聚合物，实现可见光驱动的推进和污染物降解；通过电聚合修饰纳米 / 微型机器人表面，实现污染物富集和降解。分子自组装可通过氢键、LBL 沉积和分子间自组装等方式进行，形成高度有序的结构，实现特定功能。例如，氢键诱导的自组装可制备疏水微机器人，用于油污染捕获；LBL 沉积可制备具有精确形态的微机器人，用于抗氧化治疗。表面装饰可通过非共价或共价相互作用实现，非共价相互作用包括氢键、π - π 堆积和静电相互作用等，共价相互作用则通过化学链接或点击化学实现。例如，通过 π - π 堆积装饰微机器人，实现荧光检测；通过点击化学修饰藻类微机器人，用于病毒捕获。
• 单原子层面的设计：在单原子层面，原子层沉积（ALD）、点缺陷工程和单原子装饰为纳米 / 微型机器人的设计提供了新途径。ALD 可用于制备原子级薄膜，精确控制纳米 / 微型机器人的结构和性能。例如，通过 ALD 在 αFe₂O₃微机器人表面覆盖 TiO₂层，实现双模式驱动和污染物降解。点缺陷工程通过引入缺陷改变半导体的光学和电学性质，影响纳米 / 微型机器人的推进能力和催化性能。例如，黑钛（TiO₂）微机器人利用缺陷吸收可见光，实现生物膜根除和肿瘤抑制。单原子装饰可调整纳米 / 微型机器人的推进和催化能力，如单铁原子可催化 H₂O₂分解实现气泡推进，单铂原子可影响纳米 / 微型机器人的轨迹和纳米塑料捕获能力。

挑战与展望

尽管纳米 / 微型机器人在环境修复领域展现出巨大潜力，但目前仍处于基础研究阶段，面临诸多挑战。首先，纳米 / 微型机器人作为纳米 / 微材料，可能对环境造成潜在污染，在开放环境中应用时，需谨慎选择材料，考虑其与系统的兼容性和纳米尺度形态对毒性的影响。不过，在受控封闭环境如污水处理厂，纳米 / 微型机器人有望发挥高效的修复作用。其次，纳米 / 微型机器人的设计和功能应更加通用，以应对多种污染物，这需要材料科学的进一步发展，设计出适用于不同污染物的先进材料。最后，实现大规模环境修复还需可持续、兼容且经济的工业解决方案，加强与工业和工程领域的合作，优化相关技术和设备。

从更广泛的角度看，纳米建筑学不仅在环境修复领域意义重大，在材料科学的其他领域，如能源问题、传感、生物医学和信息处理等，也具有重要的应用价值。它为构建智能先进功能的下一代系统提供了可靠方法，推动了多学科的发展。

总之，纳米 / 微型机器人结合纳米建筑学为环境修复提供了创新解决方案，尽管面临挑战，但随着研究的深入和技术的发展，有望在环境修复及其他领域取得更大突破，为解决人类面临的环境和健康问题做出重要贡献。