南洋理工大學：微型智能機搭載3D打印“航母”修復環(huán)境

供稿人:張曼玉，田小永

由于自驅(qū)動微米/納米級電機在藥物傳遞，細胞分離，傳感及環(huán)境修復方面的潛在應用而被廣泛關注。隨著全球環(huán)境的不斷惡化，環(huán)境污染的監(jiān)測與治理越來越受到人們重視。以往在重金屬離子的檢測和去除，油滴的吸附以及有機污染物的降解等方面的應用證實了小體積微型電機的作用。微型自驅(qū)動電機的尺寸往往在納米或亞微米級別這也限制了它們的行駛距離在幾毫米或幾十毫米，然而實際的環(huán)境應用則需要數(shù)十米的行駛距離。

硝基芳香化合物比如二硝基甲苯（DNT）、三硝基苯酚（TNP）等常見的爆炸物成分如果泄露將會造成嚴重的水污染，以往研究證明TiO2/Pt 和ZnO/ZnO2/Pt 在紫外線的照射下形成的羥基自由基，過氧自由基及電子具有很強的氧化還原作用，對DNT、TNT、TNP具有很好的光催化降解作用，此外由于微型驅(qū)動器的快速運動增強溶液中的物質(zhì)傳遞進而獲得更高的降解速率。由于微型驅(qū)動器外形尺寸和速度限制了他們在河流海洋湖泊等具體環(huán)境中的應用。在實際大環(huán)境的應用能實現(xiàn)快速持久運動的毫米甚至于厘米級的馬達很合適。而馬戈朗尼效應驅(qū)動的大型電機具有快速長距離運動的優(yōu)勢，是實際環(huán)境中執(zhí)行環(huán)境修復任務的良好選擇。

圖1 3D打印發(fā)動機模型

南洋理工大學的化學生物實驗室及武漢理工大學的國家重點實驗室，以3D打印的方法制造出大型電機，并演示如何搭載“航空母艦”微型驅(qū)動器在大體積溶液中高效降解爆炸物TNP。3D打印馬達由錐形頭和管狀體組成。其模型如圖1所示。既可以儲存燃料（乙醇），也可以同時搭載活性TiO2/Pt Janus微型電機。乙醇從3D打印電機槽中不對稱釋放，在液體表面產(chǎn)生張力梯度，通過馬戈朗尼效應推動發(fā)動機與此同時TiO2/Pt緩慢大范圍釋放，同時采用寬波氙燈模擬太陽光激活Janus粒子對TNP的降解。類似某些昆蟲和脊椎動物的，在能見度較低的情況下會采用沿墻壁爬行，根據(jù)化學滲透假說3D打印發(fā)動機也會有沿墻運動行為。研究團隊研究了3D打印發(fā)動機的沿墻運動，并證明可以通過墻壁表面潤濕性以及3D打印馬達尺寸和形狀來改變調(diào)整。

研究人員發(fā)現(xiàn)基于TiO2/Pt 的微型驅(qū)動器在紫外線的照射下形成具有降解能力的自由基，3D打印馬達在馬戈朗尼效應的推動下快速前進并釋放這些自由基最大范圍的降解TNP，如圖2a所示，圖2b展示了3D打印馬達的實物圖，圖2c展示3D打印馬達的運動通過釋放存儲在腔體的40μL乙醇與水形成的馬戈朗尼效應，圖2d展示3D打印馬達分解TNP污染物，圖2e在光學顯微鏡下TiO2/Pt Janus微型驅(qū)動器在紫外光照射下在TNP溶液的運動軌跡，結(jié)果證明TNP對微型驅(qū)動器運動的影響很小。圖2f搭載3D打印馬達的TiO2/Pt Janus驅(qū)動器可顯著提高降解速率。

圖2a）3D打印馬達運動及降解原理b）3D打印馬達實物c)3D打印馬達在水中運動d）3D打印馬達在TNP中運動e)在紫外線照射下 TiO2/Pt Janus微型驅(qū)動器運動軌跡f)3D打印馬達在有無TNP溶液中運動對比

參考文獻：
Lei Kong, Adriano Ambrosi,et al.Self-Propelled 3D-Printed “Aircraft Carrier” of Light Powered Smart Micromachines for Large-Volume Nitroaromatic Explosives Removal. Advance functional materials.2019

供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室