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(cè)量了自電泳微馬達(dá)和邊界之間的吸引作用，并通過(guò)數(shù)值模型成功揭示了其形成機(jī)制。
 

　　化學(xué)驅(qū)動(dòng)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(dòng)能，實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)。由于其在微觀尺度上的自我推進(jìn)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(gè)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(huì)改變周?chē)瘜W(xué)物質(zhì)、靜電場(chǎng)和流體運(yùn)動(dòng)場(chǎng)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(duì)微馬達(dá)的動(dòng)態(tài)行為有著深遠(yuǎn)的影響，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)滑移、流動(dòng)環(huán)境中的流變趨向運(yùn)動(dòng)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(duì)這一作用強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量仍然存在困難，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏限制了我們對(duì)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(qiáng)度與微馬達(dá)速度的依賴關(guān)系；右圖：微馬達(dá)周?chē)鷼潆x子密度漲落的空間分布。
 

　　為克服這一挑戰(zhàn)，張何朋教授團(tuán)隊(duì)與其合作者開(kāi)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(jì)使得研究人員可以在微馬達(dá)沿邊界移動(dòng)時(shí)施加磁力，從而測(cè)量將其從邊界上移除所需的力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了強(qiáng)烈的馬達(dá)-邊界吸引力，其強(qiáng)度超過(guò)了馬達(dá)的有效重力和推進(jìn)力。通過(guò)電動(dòng)數(shù)值模型，研究人員成功地重現(xiàn)了這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并闡明了其潛在機(jī)制：當(dāng)馬達(dá)的陽(yáng)極朝向壁面時(shí)，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(dòng)了原有的靜電場(chǎng)，從而產(chǎn)生吸引力。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和建模在雙金屬棒系統(tǒng)中驗(yàn)證了這一機(jī)制。
 

　　基于兩種不同類(lèi)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(shí)驗(yàn)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(guò)量離子可以作為一種通用工具，用來(lái)調(diào)節(jié)各類(lèi)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(guó)家自然科學(xué)基金的資助。