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中科大吳東教授團隊《Nat. Commun.》：一種高性能自驅(qū)動水凝膠微馬達

時間：2023-02-06 來源： 瀏覽：

中科大吳東教授團隊《Nat. Commun.》：一種高性能自驅(qū)動水凝膠微馬達

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中國科學技術(shù)大學工程科學學院微納米工程實驗室吳東教授、褚家如教授課題組，基于數(shù)字微鏡陣列（ DMD ）系統(tǒng)，利用激光光場調(diào)制技術(shù)，加工出一種新穎的高性能自驅(qū)動水凝膠微馬達，并探究其在動能傳輸、微型發(fā)電機等方面的應用前景，為微型旋轉(zhuǎn)機械的設計與制造開拓了新的方向。該研究成果近期以 “ High-performance Marangoni hydrogel rotors with asymmetric porosity and drag reduction profile” 為題發(fā)表在《 Nature Communications 》上。

自驅(qū)動現(xiàn)象在自然界中無處不在，范圍從納米尺度（驅(qū)動蛋白）到厘米尺度（節(jié)肢動物）。例如，當一種名叫突眼隱翅蟲的甲蟲被風吹落到水面上時，它會在其尾部分泌表面活性劑，將自己快速推回岸邊（圖 1a ）。這種自驅(qū)動現(xiàn)象是由表面張力梯度引起的，被稱為馬蘭戈尼效應。受此啟發(fā)，研究人員基于 DMD 的激光光場調(diào)制技術(shù)，利用水凝膠（ PNIPAm ）和表面活性劑（ HFIP ），設計并加工出具有非對稱孔隙微結(jié)構(gòu)和三次樣條曲線外形的自驅(qū)動微馬達（圖 1c 和 1d ）。該自驅(qū)動微馬達也能如同突眼隱翅蟲一般，在自身周圍緩慢分泌表面活性劑，調(diào)節(jié)周圍表面張力分布，從而驅(qū)動自身高速轉(zhuǎn)動（圖 1b 和 1e ）。得益于非對稱孔隙微結(jié)構(gòu)控制表面活性劑的釋放速率從而增強表面張力梯度，以及三次樣條曲線外形設計用于減阻，該研究中的自驅(qū)動微馬達相比于現(xiàn)有報道中類似體系的工作在性能上得到極大的提升。以轉(zhuǎn)動輸出和燃料效率這兩個歸一化參數(shù)為標準，該自驅(qū)動微馬達在轉(zhuǎn)動輸出上提高了 15 倍，在燃料效率上提高了 34 ％。
圖 1. 微馬達的自驅(qū)動原理。 (a-b) 受到突眼隱翅蟲啟發(fā)的自驅(qū)動水凝膠微馬達； (c-d) 微馬達的微結(jié)構(gòu)和形狀設計； (e) 微馬達的自驅(qū)動原理。
之后，研究人員進一步探索了自驅(qū)動微馬達的應用前景。如圖 2a 所示，自驅(qū)動微馬達可以通過齒輪嚙合，向外輸出不同的轉(zhuǎn)速和扭矩，從而實現(xiàn)動能傳輸?shù)男Ч?。進一步地，研究人員將自驅(qū)動微馬達應用于微型發(fā)電機中（圖 2b-c ），通過自驅(qū)動微馬達帶動磁鐵在線圈中運動，從而產(chǎn)生感應電壓，在通過二極管整流和電容儲能升壓之后，產(chǎn)生的電能可以點亮 LED 。
圖 2. 微馬達用于動能傳輸和發(fā)電。 (a) 自驅(qū)動微馬達用于減速器和增速器； (b-c) 自驅(qū)動微馬達用于微型發(fā)電機。
為了更好的控制自驅(qū)動微馬達的運動行為，研究人員在微馬達中摻雜納米鐵粉。通過不同的磁場，實現(xiàn)了對微馬達自驅(qū)動行為的精準控制。例如，通過條形磁鐵可以實現(xiàn)微馬達的啟?？刂疲▓D 3a ）；通過圓柱形磁鐵可以實現(xiàn)微馬達的自轉(zhuǎn) / 公轉(zhuǎn)切換控制（圖 3b ）。此外，這種磁控行為還可以作用于多個微馬達，實現(xiàn)多個微馬達沿著同一 / 不同半徑的軌道進行公轉(zhuǎn)（圖 3c-d ）。
圖 3. 自驅(qū)動磁性微馬達的運動控制及用于水凈化。 (a) 條形磁鐵可以實現(xiàn)微馬達的啟?？刂疲?/span> (b) 圓柱形磁鐵可以實現(xiàn)微馬達的自轉(zhuǎn) / 公轉(zhuǎn)切換控制； (c-d) 多個微馬達的群體控制。
中國科大微納米工程實驗室的吳昊博士和陳羿宇博士為該工作的共同第一作者，通訊作者為吳東教授，合作者包括中國科大吳恒安教授團隊和李二強教授團隊。該項研究工作得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發(fā)計劃、安徽省科技重大專項等基金的支持。

原文鏈接

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

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