近日，上海交通大學自然科學研究院與物理與天文學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。
 

　　化學驅(qū)動的微馬達能夠?qū)⑵浔砻娲呋磻尫诺哪芰哭D(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，這些微馬達被廣泛認為是具有巨大應用潛力的工具，涵蓋了從靶向藥物輸送到環(huán)境修復等多個領域。此外，這些微馬達也是研究活性物質(zhì)物理的重要模型系統(tǒng)。
 

　　微馬達通常在受限空間中使用，例如微流控芯片設備等。在這些環(huán)境中，邊界的存在會改變周圍化學物質(zhì)、靜電場和流體運動場的分布，產(chǎn)生復雜的馬達-邊界相互作用。這些相互作用對微馬達的動態(tài)行為有著深遠的影響，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-邊界相互作用的重要性已被廣泛認可，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-邊界作用的理解。
 

　　左圖：二氧化鈦-鉑微馬達的結(jié)構(gòu)示意圖；中圖：吸引力強度與微馬達速度的依賴關系；右圖：微馬達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。這種核殼設計使得研究人員可以在微馬達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-邊界吸引力，其強度超過了馬達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：當馬達的陽極朝向壁面時，馬達與壁面之間的化學反應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的研究表明，馬達-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，化學反應產(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。
 

　　上海交通大學博士生徐彥楷為論文第一作者，上海交通大學的張何朋教授和哈爾濱工業(yè)大學深圳校區(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基金的資助。