表面能调控驱动的仿生石墨烯-聚合物纳米抓手实现元素选择性抓取与热响应释放

针对纳米尺度目标物精准操控的挑战，西安研究人员受章鱼捕食行为启发，开发了一种基于石墨烯-聚苯乙烯的自组装纳米抓手。该器件通过表面能工程实现Fe/Pt/Cu等金属颗粒的van der Waals力选择性捕获，并利用温度响应实现可逆释放（298K捕获→高温释放），成功解决了传统纳米抓手环境敏感性高、不可回收等问题，为靶向药物递送和微纳制造提供了新范式。

　　

在微纳操作领域，如何实现目标物的精准捕获与可控释放一直是制约纳米机器人发展的核心难题。传统微纳抓手依赖外部电磁场或光热驱动，存在能耗高、环境适应性差等问题，而二维材料虽具备优异机械性能，却因自坍塌效应难以维持稳定捕获。受自然界章鱼触手捕食行为的启发，西安的研究团队在《Applied Surface Science》发表了一项突破性研究，通过将石墨烯的机械强度与聚合物的热响应特性相结合，开发出首款具备元素选择性的仿生纳米抓手。

研究采用分子动力学模拟（COMPASS力场）和实验验证相结合的方法，构建了由12触手石墨烯片与聚苯乙烯（PS）纳米绳组成的章鱼状结构。通过调控表面能梯度，该器件在298K下可自发捕获Fe/Pt/Cu等金属颗粒（捕获力序列：Fe>Pt>Cu≈Ni>Ag），高温时则通过PS链的构象变化实现靶标释放。关键创新在于利用石墨烯π-π堆叠和金属的d轨道电子云差异，实现了元素特异性识别，其单次捕获成功率可达92.3%。

分子动力学模拟
采用NVT系综和velocity Verlet算法，证实石墨烯触手通过van der Waals力诱导金属颗粒表面电子重排，形成定向吸附。Fe因3d电子轨道空间分布最广，与石墨烯的相互作用能达-2.34 eV/nm²，显著高于Pt的-1.78 eV/nm²。

操作机制
捕获阶段：石墨烯触手在1.2 ps内完成对Cu颗粒的包裹，接触面积达14.7 nm²；拖拽阶段：通过PS链的熵弹性变形实现纳米级位移，最大拖曳力为6.7 nN。

温度响应性
在323K时PS链发生玻璃化转变，导致石墨烯触手展开角增加58°，释放阈值温度与金属熔点呈负相关（R²=0.91）。

该研究首次将表面能工程与生物启发设计相结合，解决了纳米抓手的选择性与可复用性矛盾。Hongru Ren和Yifan Li等开发的器件在模拟体液环境中仍保持83%的捕获效率，为靶向药物递送（如肿瘤标志物捕获）和微纳组装提供了新工具。值得注意的是，通过引入环形石墨烯增强结构，可将多次循环后的性能衰减率从29%降至7.8%，这一发现为下一代智能纳米机器人设计提供了普适性策略。