光激活的微马达在空气中通过热对流实现推进

《Advanced Materials》：Light-Activated Micromotors in Air Propelled by Thermal Convection

光驱动空气微马达系统通过ZnO纳米颗粒表面修饰金纳米颗粒和稀土上转换纳米颗粒，利用近红外光热效应实现热对流，克服重力在空气中运动。实验结合热成像、纳米热ometry和计算模拟证实热梯度驱动机制，展示了气相催化、污染物监测等应用潜力。

　　在现代科技的快速发展中，微电机系统因其独特的可控运动特性而备受关注。这类微电机能够通过化学反应或外部刺激实现运动，因此在环境修复、药物输送以及其他新兴领域展现出巨大的应用潜力。然而，直到目前为止，微电机的应用大多局限于水性环境，因为要在空气中实现可控运动并克服重力仍然是一个显著的技术挑战。空气与水的物理性质差异显著，水具有较高的热传导能力和粘性，使得微电机在其中能够较为容易地产生热对流并实现运动。而空气则由于其低热导率和缺乏浮力支持，导致微电机在空气中难以产生有效的运动。因此，开发能够在空气中实现可控运动的微电机系统，对于拓展其应用范围具有重要意义。

本文首次提出了一种能够在空气中实现光诱导热对流运动的微电机系统，突破了传统微电机仅限于水性环境的限制。该系统由具有花粉状结构的氧化锌（ZnO）微粒组成，其表面被金纳米颗粒（Au NPs）覆盖。当该系统受到近红外（NIR）光照射时，Au纳米颗粒能够吸收光能并转化为热能，从而在空气中形成温度梯度，进而引发热对流。这种热对流推动微电机系统产生运动，克服重力实现向上的漂移。为了精确监测微电机表面的温度变化，研究者在ZnO微粒表面进一步沉积了掺杂稀土元素的上转换纳米颗粒（UCNPs），这些纳米颗粒能够通过上转换发光实现纳米级的温度测量，为系统热行为的描述提供了关键信息。

这种新型微电机的设计灵感来源于自然界的结构，例如花粉和蒲公英种子，这些微小的自然结构在空气中能够通过空气动力学原理实现漂浮和传播。研究者通过实验和模拟相结合的方式，系统地分析了微电机在空气中的运动机制。实验结果显示，当NIR光照射到Au纳米颗粒时，微电机能够克服重力并向上运动，其运动轨迹呈现出类似自然对流的椭圆形，并且方向可以通过改变光照射位置进行调控。通过使用光学追踪、热成像和纳米级温度测量技术，研究者不仅能够记录微电机的运动路径，还能够量化其运动速度，并验证热对流是其运动的主要驱动力。

值得注意的是，微电机在空气中的运动表现与在水中的情况有所不同。在水性环境中，由于水的高粘性和良好的热传导性，微电机的运动速度通常较低，且运动方向主要由热对流和浮力共同决定。而在空气中，由于缺乏浮力支持，微电机必须依赖更高效的热对流机制才能实现运动。实验发现，Au纳米颗粒的加入显著增强了微电机的运动能力，其在空气中的平均速度可达906.4 ± 511.6 μm/s，远高于未添加Au的ZnO微粒。这一结果表明，Au纳米颗粒在光热转换过程中起到了至关重要的作用，其高效的光吸收能力使得微电机能够迅速升温，从而在空气中产生足够的热对流以克服重力。

此外，研究者还通过计算流体力学模拟进一步验证了微电机的运动机制。模拟结果显示，微电机在空气中的运动主要由热对流驱动，且其运动方向和速度与热梯度密切相关。通过改变光照射位置，研究者成功实现了对微电机运动方向的远程控制，这为未来的微电机应用提供了新的可能性。例如，在空气污染控制或气体相催化反应中，这种可控运动能力可以用于定向输送污染物或催化剂，提高处理效率。

为了进一步探索该系统的可扩展性和适用性，研究者还对不同直径的玻璃管中的微电机进行了模拟，结果表明无论管径如何变化，微电机的运动机制保持稳定，且运动速度在合理范围内。这表明该系统具有较强的环境适应性，能够在多种尺寸的封闭空间中运行，从而为实际应用提供了广阔前景。同时，研究者还发现，微电机在空气中能够持续运动至少3分钟，这种较长的运动时间使其在需要长时间操作的环境中更具优势。

该研究不仅为微电机技术在空气中的应用开辟了新的方向，还为未来的微电机设计提供了重要的理论支持和实验验证。通过结合光热效应与空气动力学原理，研究者成功构建了一种无需化学燃料、仅依赖外部光能驱动的微电机系统。这一突破使得微电机能够在非水性环境中实现可控运动，从而拓展其在环境监测、污染治理、药物输送等领域的应用潜力。特别是在气体相催化反应或空气污染检测中，这种新型微电机可以作为一种高效的微尺度工具，用于精准控制反应物的流动和分布。

从实际应用角度来看，该系统具有重要的工程价值。例如，在环境治理领域，微电机可以用于检测和清除空气中的有害物质，通过定向运动将污染物聚集或引导至特定区域，提高处理效率。在医疗领域，微电机可以用于靶向药物输送，通过光控制实现对药物的精准释放，从而提高治疗效果。此外，该系统还可以用于气体相催化反应，通过微电机的运动特性增强反应物的混合效率，提高催化反应的速率和选择性。

从科学角度来看，该研究不仅推动了微电机技术的发展，还为光热材料在空气中的应用提供了新的思路。通过结合ZnO、Au纳米颗粒和UCNPs，研究者构建了一种具有多功能特性的微电机平台，其能够实现光热转换、温度监测和可控运动。这种多功能集成设计为未来的微电机系统提供了重要的参考，同时也为纳米材料在微尺度系统中的应用拓展了新的研究方向。

在技术实现方面，该研究展示了如何通过纳米材料的协同作用实现微电机在空气中的运动。ZnO微粒作为主体结构，具有良好的稳定性，能够在空气中长期存在。Au纳米颗粒则作为光热转换的核心组件，其高效的光吸收能力使得微电机能够迅速升温并产生热对流。UCNPs则用于实时监测微电机表面的温度变化，为系统的运行提供了反馈机制。这些纳米材料的结合不仅提高了系统的性能，还增强了其在复杂环境中的适应性。

综上所述，本文提出了一种能够在空气中实现可控运动的微电机系统，突破了传统微电机仅限于水性环境的限制。该系统通过光热效应驱动热对流，实现微电机的运动，其设计灵感来源于自然界的空气动力学结构，具有高度的仿生性。实验和模拟结果表明，该系统在空气中能够实现有效的运动，并且其运动方向和速度可以通过外部光照射进行调控。此外，该系统在空气中能够持续运行，且具有良好的热稳定性和环境适应性，为未来的微电机应用提供了重要的基础。这一研究不仅拓展了微电机的应用领域，还为光热材料在空气中的功能化设计提供了新的思路，具有重要的科学和工程价值。