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2023年01月16日
中国科大实现一种高性能自驱动水凝胶微马达

中国科学技术大学工程科学学院微纳米工程实验室吴东教授、褚家如教授课题组,基于数字微镜阵列(DMD)系统,利用激光光场调制技术,加工出一种新颖的高性能自驱动水凝胶微马达,并探究其在动能传输、微型发电机等方面的应用前景,为微型旋转机械的设计与制造开拓了新的方向。该研究成果近期以“High-performance Marangoni hydrogel rotors with asymmetric porosity and drag reduction profile”为题发表在《Nature Communications》上。

自驱动现象在自然界中无处不在,范围从纳米尺度(驱动蛋白)到厘米尺度(节肢动物)。例如,当一种名叫突眼隐翅虫的甲虫被风吹落到水面上时,它会在其尾部分泌表面活性剂,将自己快速推回岸边(图1a)。这种自驱动现象是由表面张力梯度引起的,被称为马兰戈尼效应。受此启发,研究人员基于DMD的激光光场调制技术,利用水凝胶(PNIPAm)和表面活性剂(HFIP),设计并加工出具有非对称孔隙微结构和三次样条曲线外形的自驱动微马达(图 1c和1d)。该自驱动微马达也能如同突眼隐翅虫一般,在自身周围缓慢分泌表面活性剂,调节周围表面张力分布,从而驱动自身高速转动(图1b和1e)。得益于非对称孔隙微结构控制表面活性剂的释放速率从而增强表面张力梯度,以及三次样条曲线外形设计用于减阻,该研究中的自驱动微马达相比于现有报道中类似体系的工作在性能上得到极大的提升。以转动输出和燃料效率这两个归一化参数为标准,该自驱动微马达在转动输出上提高了15倍,在燃料效率上提高了34%。

图1.微马达的自驱动原理。(a-b)受到突眼隐翅虫启发的自驱动水凝胶微马达;(c-d)微马达的微结构和形状设计;(e)微马达的自驱动原理。

之后,研究人员进一步探索了自驱动微马达的应用前景。如图2a所示,自驱动微马达可以通过齿轮啮合,向外输出不同的转速和扭矩,从而实现动能传输的效果。进一步地,研究人员将自驱动微马达应用于微型发电机中(图2b-c),通过自驱动微马达带动磁铁在线圈中运动,从而产生感应电压,在通过二极管整流和电容储能升压之后,产生的电能可以点亮LED。

图2.微马达用于动能传输和发电。(a)自驱动微马达用于减速器和增速器;(b-c)自驱动微马达用于微型发电机。

为了更好的控制自驱动微马达的运动行为,研究人员在微马达中掺杂纳米铁粉。通过不同的磁场,实现了对微马达自驱动行为的精准控制。例如,通过条形磁铁可以实现微马达的启停控制(图3a);通过圆柱形磁铁可以实现微马达的自转/公转切换控制(图3b)。此外,这种磁控行为还可以作用于多个微马达,实现多个微马达沿着同一/不同半径的轨道进行公转(图3c-d)。

图3.自驱动磁性微马达的运动控制及用于水净化。(a)条形磁铁可以实现微马达的启停控制;(b)圆柱形磁铁可以实现微马达的自转/公转切换控制;(c-d)多个微马达的群体控制。

微纳米工程实验室的吴昊博士和陈羿宇博士为该工作的共同第一作者,通讯作者为吴东教授,合作者包括工程科学学院吴恒安教授团队和李二强教授团队。该项研究工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、安徽省科技重大专项等基金的支持。

论文连接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-35186-5

(科研部)

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