南洋理工大學(xué)：微型智能機(jī)搭載3D打印“航母”修復(fù)環(huán)境

供稿人:張曼玉，田小永

由于自驅(qū)動(dòng)微米/納米級(jí)電機(jī)在藥物傳遞，細(xì)胞分離，傳感及環(huán)境修復(fù)方面的潛在應(yīng)用而被廣泛關(guān)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(jī)污染物的降解等方面的應(yīng)用證實(shí)了小體積微型電機(jī)的作用。微型自驅(qū)動(dòng)電機(jī)的尺寸往往在納米或亞微米級(jí)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(shí)際的環(huán)境應(yīng)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(huì)造成嚴(yán)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(qiáng)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(dòng)器的快速運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)溶液中的物質(zhì)傳遞進(jìn)而獲得更高的降解速率。由于微型驅(qū)動(dòng)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(yīng)用。在實(shí)際大環(huán)境的應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)快速持久運(yùn)動(dòng)的毫米甚至于厘米級(jí)的馬達(dá)很合適。而馬戈朗尼效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的大型電機(jī)具有快速長距離運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢，是實(shí)際環(huán)境中執(zhí)行環(huán)境修復(fù)任務(wù)的良好選擇。

圖1 3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)模型

南洋理工大學(xué)的化學(xué)生物實(shí)驗(yàn)室及武漢理工大學(xué)的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以3D打印的方法制造出大型電機(jī)，并演示如何搭載“航空母艦”微型驅(qū)動(dòng)器在大體積溶液中高效降解爆炸物TNP。3D打印馬達(dá)由錐形頭和管狀體組成。其模型如圖1所示。既可以儲(chǔ)存燃料（乙醇），也可以同時(shí)搭載活性TiO2/Pt Janus微型電機(jī)。乙醇從3D打印電機(jī)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(yīng)推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)與此同時(shí)TiO2/Pt緩慢大范圍釋放，同時(shí)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(dòng)物的，在能見度較低的情況下會(huì)采用沿墻壁爬行，根據(jù)化學(xué)滲透假說3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)有沿墻運(yùn)動(dòng)行為。研究團(tuán)隊(duì)研究了3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)的沿墻運(yùn)動(dòng)，并證明可以通過墻壁表面潤濕性以及3D打印馬達(dá)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(dòng)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(dá)在馬戈朗尼效應(yīng)的推動(dòng)下快速前進(jìn)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(dá)的實(shí)物圖，圖2c展示3D打印馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)通過釋放存儲(chǔ)在腔體的40μL乙醇與水形成的馬戈朗尼效應(yīng)，圖2d展示3D打印馬達(dá)分解TNP污染物，圖2e在光學(xué)顯微鏡下TiO2/Pt Janus微型驅(qū)動(dòng)器在紫外光照射下在TNP溶液的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)果證明TNP對微型驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的影響很小。圖2f搭載3D打印馬達(dá)的TiO2/Pt Janus驅(qū)動(dòng)器可顯著提高降解速率。

圖2a）3D打印馬達(dá)運(yùn)動(dòng)及降解原理b）3D打印馬達(dá)實(shí)物c)3D打印馬達(dá)在水中運(yùn)動(dòng)d）3D打印馬達(dá)在TNP中運(yùn)動(dòng)e)在紫外線照射下 TiO2/Pt Janus微型驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)軌跡f)3D打印馬達(dá)在有無TNP溶液中運(yùn)動(dòng)對比

參考文獻(xiàn)：
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(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室