近日，上海交通大學(xué)自然科學(xué)研究院與物理與天文學(xué)院的張何朋教授課題組及其合作者，在Physical Review Letters上發(fā)表了題為“Measuring Attractive Interaction between a Self-Electrophoretic Micromotor and a Wall”的研究論文。該工作中，研究人員測量了自電泳微馬達(dá)和邊界之間的吸引作用，并通過數(shù)值模型成功揭示了其形成機制。
 

　　化學(xué)驅(qū)動的微馬達(dá)能夠?qū)⑵浔砻娲呋磻?yīng)釋放的能量轉(zhuǎn)化為動能，實現(xiàn)自主運動。由于其在微觀尺度上的自我推進能力，這些微馬達(dá)被廣泛認(rèn)為是具有巨大應(yīng)用潛力的工具，涵蓋了從靶向藥物輸送到環(huán)境修復(fù)等多個領(lǐng)域。此外，這些微馬達(dá)也是研究活性物質(zhì)物理的重要模型系統(tǒng)。
 

　　微馬達(dá)通常在受限空間中使用，例如微流控芯片設(shè)備等。在這些環(huán)境中，邊界的存在會改變周圍化學(xué)物質(zhì)、靜電場和流體運動場的分布，產(chǎn)生復(fù)雜的馬達(dá)-邊界相互作用。這些相互作用對微馬達(dá)的動態(tài)行為有著深遠(yuǎn)的影響，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)滑移、流動環(huán)境中的流變趨向運動等現(xiàn)象。盡管馬達(dá)-邊界相互作用的重要性已被廣泛認(rèn)可，但迄今為止，針對這一作用強度的實驗測量仍然存在困難，實驗數(shù)據(jù)的缺乏限制了我們對微馬達(dá)-邊界作用的理解。
 

　　左圖：二氧化鈦-鉑微馬達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖；中圖：吸引力強度與微馬達(dá)速度的依賴關(guān)系；右圖：微馬達(dá)周圍氫離子密度漲落的空間分布。
 

　　為克服這一挑戰(zhàn)，張何朋教授團隊與其合作者開發(fā)了配有超順磁性核心的二氧化鈦-鉑(TiO?-Pt)雙面神微馬達(dá)。這種核殼設(shè)計使得研究人員可以在微馬達(dá)沿邊界移動時施加磁力，從而測量將其從邊界上移除所需的力。實驗結(jié)果揭示了強烈的馬達(dá)-邊界吸引力，其強度超過了馬達(dá)的有效重力和推進力。通過電動數(shù)值模型，研究人員成功地重現(xiàn)了這些實驗結(jié)果，并闡明了其潛在機制：當(dāng)馬達(dá)的陽極朝向壁面時，馬達(dá)與壁面之間的化學(xué)反應(yīng)生成的氫離子積聚擾動了原有的靜電場，從而產(chǎn)生吸引力。進一步的實驗和建模在雙金屬棒系統(tǒng)中驗證了這一機制。
 

　　基于兩種不同類型的馬達(dá)的研究表明，馬達(dá)-邊界吸引力可能是自電泳系統(tǒng)中的普遍現(xiàn)象。該發(fā)現(xiàn)為之前微馬達(dá)實驗中觀察到的“跟隨邊界”行為提供了合理的解釋。此外，本研究還表明，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的過量離子可以作為一種通用工具，用來調(diào)節(jié)各類系統(tǒng)中帶電物體之間的靜電相互作用。
 

　　上海交通大學(xué)博士生徐彥楷為論文第一作者，上海交通大學(xué)的張何朋教授和哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)的王威教授為共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助。