楔形纳米膜的方向性自滚动特性实现了高速锥形微马达的运转

《Applied Materials Today》：Directional self-rolling of wedge-thick nanomembranes enabling high-speed conical micromotors

纳米膜自滚技术实现锥形微管结构，作为催化微马达在过氧化氢中产生气泡驱动运动，速度达120 μm/s，优于传统圆柱形结构。

　　

Bendong Liu|Hao Tian|Hongye Qin|Runqiu Wu|Jiahui Yang

北京工业大学机械与能源工程学院，中国北京100124

摘要

纳米膜自卷曲技术为传感器、电子设备、光学器件和微型机器人提供了三维（3D）结构。然而，研究表明，纳米膜主要通过自发的自卷曲过程卷成圆柱形微管或折叠几何形状。本文报道了一种通过改进纳米膜自卷曲方法来获得锥形微管的方法。采用掠射角沉积（GLAD）技术在牺牲层上制备具有楔形厚度的预应力金属纳米膜。当牺牲层沿垂直于楔形纳米膜厚度梯度的独特方向逐渐溶解时，预应力纳米膜会自发卷成锥形微管。这种锥形微管可以作为微型马达使用，其内部催化剂层在浸入过氧化氢溶液中时能够引发气泡生成。由于锥形结构，气泡主要从锥形微管的大端喷出，从而产生驱动微型马达的反作用力。实验表明，该微型马达的速度可达120 μm/s，远高于圆柱形微型马达。这项工作为使用楔形纳米膜的方向性自卷曲技术制备锥形结构提供了概念验证设计。

引言

近年来，微系统在流体环境中的运动已成为微技术和纳米技术中的一个关键挑战。这些微系统包括微型机器人、微型马达和微型引擎，可以通过多种机制进行推进，例如化学催化推进[[1], [2], [3]]、磁推进[4,5]、声学推进[[6], [7], [8], [9], [10]]等。基于金属-有机框架（MOF）的微型马达具有单金属节点和双金属或多金属催化剂[9,10]，由于结构简单且无需额外复杂组件，因此受到了更多关注[11]。

在微型马达制造方法领域，如参考文献[[12], [13], [14], [15]]中所报道的，利用纳米膜的自卷曲技术引起了广泛关注。这归因于其独特的优势，特别是在材料选择范围广泛和能够实现精确几何控制方面。自卷曲技术是一种制造3D微纳结构的方法，在制造或生长过程中有意引入应力或应变[16]。一旦纳米膜与基底之间的约束被释放，纳米膜可以转变为圆柱形微管、螺旋线圈和环状结构[17,18]。Schmidt在2001年报道了平面2D纳米膜自卷曲成圆柱形纳米管的过程[20]。Mei在2008年提出了一种基于多层金属结构的催化圆柱形微型马达的通用制造方法[21]。此外，研究人员还探索了通过调整纳米膜材料[[22], [23], [24]]、释放机制[[25], [26], [27]]和驱动燃料[28]来优化微型马达的性能。研究发现，略微锥形的微管比圆柱形微管运行得更快[29]，因为不对称的锥形结构使得气泡能够更有效地从大开口方向释放，从而提高微型马达的运动能力[30]。此外，锥形微型马达在侵入式生物操作中也具有优势[31]。尽管一些学者使用模板辅助电合成方法制备了长度约为7 μm、大端直径约为2 μm的锥形微型马达[[32], [33], [34]]，但使用这种方法制造的微型马达受到多孔模板尺寸的限制，导致其尺寸和锥度的调节灵活性不足。

在这里，我们提出了一种利用楔形纳米膜的方向性自卷曲来制备锥形微型马达的方法。锥形微型马达的制造过程示意图如图1所示。如图1(a)所示，两层具有楔形厚度的预应力矩形纳米膜依次沉积在牺牲层上。第一层具有内置压缩应力σ₁，第二层具有内置拉伸应力σ₂[35]。如图1(b)所示，当牺牲层沿垂直于楔形纳米膜厚度梯度的独特方向逐渐溶解时，纳米膜内的应力释放会导致应变产生。应变梯度触发纳米膜的自卷曲，卷曲方向与牺牲层的溶解方向一致。对于预应力双层系统，纳米膜卷曲的曲率κ主要由其厚度决定，而应变梯度保持恒定[36]。根据Timoshenko连续介质力学模型[37,38]，卷曲纳米结构的曲率可以用公式(1)表示：$\kappa =\frac{?3\epsilon }{2d}$d是纳米膜的总厚度，ε是两层之间沿释放方向的轴向应变。根据公式(1)，楔形纳米膜较厚端的卷曲曲率小于较薄端。这种差异最终导致纳米膜在释放后形成锥形结构，如图1(c)所示。通过调整纳米膜的厚度梯度，可以灵活调节锥形管的锥度。

章节片段

SU-8遮罩的制备

为了获得图案化的金属纳米膜，使用标准软光刻技术制备了具有方形“窗口”的SU-8遮罩，如图2所示。(a) 清洁玻璃基底。(b) 将一小块聚酰亚胺（PI）胶带（30 mm × 27 mm，3 M，美国）粘贴在玻璃基底上。(c) 使用旋涂机（SC-1B，北京金胜伟纳科技有限公司）以2000转/分钟的速度将SU-8负性光刻胶（GM 1070，Gersteltec，瑞士）均匀旋涂在聚酰亚胺薄膜上。

锥形微管的表征

通过楔形纳米膜的方向性自卷曲制备的Cu/Cr/Ag锥形微管的显微图像如图6所示。如图6(c)所示，一个长度为380 μm的锥形微管是由一个300 μm × 300 μm的正方形纳米膜在60°的掠射角下卷曲而成的。锥形微管的大端直径约为32 μm。

结论

总之，通过改进的纳米膜自卷曲方法制备了一种自推进锥形微型马达。该方法利用楔形纳米膜和定向释放机制实现了定向卷曲，从而能够制造出锥形微管。

具体来说，通过改变溅射沉积过程中的掠射角可以调节锥形微管的锥度。通过在锥形微管内加入一层银纳米膜，可以

CRediT作者贡献声明

Bendong Liu：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。Hao Tian：撰写 – 初稿撰写、验证、方法论设计、实验研究、数据分析。Hongye Qin：撰写 – 审稿与编辑、实验研究。Runqiu Wu：撰写 – 审稿与编辑、实验研究。Jiahui Yang：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计。