姓名? 韓露? 學(xué)號(hào)? 17021210888

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【嵌牛導(dǎo)讀】微納米發(fā)動(dòng)機(jī)是一種可以將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的微納米器件，那么光得能量怎么使得它發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)器件？

【嵌牛提問】微納米發(fā)動(dòng)機(jī)如何實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的感知并作出相應(yīng)的反應(yīng)？它的驅(qū)動(dòng)機(jī)理又是什么？

【嵌牛鼻子】微納米發(fā)動(dòng)機(jī)

【嵌牛正文】

“未來科學(xué)的發(fā)展無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進(jìn)軍”，著名的物理學(xué)家和哲學(xué)家愛因斯坦曾說過。隨著科技的進(jìn)步，越來越多的科研工作者開始關(guān)注物質(zhì)的內(nèi)部，致力于微觀世界的構(gòu)造，微納米材料的開發(fā)與性能研究成為了21世紀(jì)的研究熱點(diǎn)。早在數(shù)十年前，微納米機(jī)器就出現(xiàn)在經(jīng)典科幻電影《奇妙旅程》中；而電影《未來戰(zhàn)士2：審判日》中，由納米機(jī)器人組裝的終結(jié)者也具有十分強(qiáng)大的功能?？梢哉f，人們對(duì)微納米機(jī)器寄予厚望，夢(mèng)想可以在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)集感知，運(yùn)動(dòng)和功能性于一身的微納米機(jī)器。2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)也被授予從事“分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和合成”研究的三位科學(xué)家。

微納米發(fā)動(dòng)機(jī)是一種可以將其他形式的能量（如化學(xué)能、磁能、超聲能等）轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的微納米粒子或器件，是開發(fā)微納米機(jī)器的重要一步，在未來的環(huán)境治理，微納米加工以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有卓越的應(yīng)用前景。微納米發(fā)動(dòng)機(jī)研究的難題在于如何實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的感知并作出相應(yīng)的反應(yīng)，受自然界中生物運(yùn)動(dòng)模式的啟發(fā)，科學(xué)家們利用周圍的能源如化學(xué)燃料、光、聲場(chǎng)、磁場(chǎng)或電場(chǎng)產(chǎn)生推進(jìn)力，得到了具有不同運(yùn)動(dòng)行為及特點(diǎn)的微納米發(fā)動(dòng)機(jī)。在這些驅(qū)動(dòng)方式中，光來源廣泛，經(jīng)濟(jì)環(huán)保；光驅(qū)動(dòng)操作簡(jiǎn)單，可遠(yuǎn)程遙控，在環(huán)境治理或生物醫(yī)藥領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。

該綜述文章從梳理光驅(qū)動(dòng)微納米發(fā)動(dòng)機(jī)的研究歷史入手，主要面向近年來發(fā)展迅速的光驅(qū)動(dòng)固體微納米發(fā)動(dòng)機(jī)，涵蓋了光驅(qū)動(dòng)固體微納米發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)策略，驅(qū)動(dòng)機(jī)理，應(yīng)用領(lǐng)域以及面臨的挑戰(zhàn)和未來的展望。光驅(qū)動(dòng)固體微納米發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分是光響應(yīng)材料。根據(jù)光觸發(fā)受照射介質(zhì)發(fā)生不同的光化學(xué)反應(yīng)和光物理效應(yīng)，作者將用來構(gòu)成光驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的光響應(yīng)材料分為光催化或光解材料，光熱材料和光致異構(gòu)材料，并詳細(xì)介紹了其光觸發(fā)機(jī)理。光驅(qū)動(dòng)微納米發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)策略主要是基于發(fā)動(dòng)機(jī)周圍非對(duì)稱場(chǎng)的構(gòu)筑。非對(duì)稱場(chǎng)常用的構(gòu)筑方式有兩種，其一是通過構(gòu)筑具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，如雙面神（Janus）結(jié)構(gòu)微納米發(fā)動(dòng)機(jī)。具有雙面神結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)在光照時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)具有明顯差異的光活性，導(dǎo)致其兩側(cè)會(huì)形成反應(yīng)物或產(chǎn)物梯度（濃度梯度、溫度梯度或氣泡等），為發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)提供了驅(qū)動(dòng)力，如一些貴金屬和半導(dǎo)體復(fù)合粒子（Au/TiO2，Pt/TiO2和Au/SiO2等）。第二種形成非對(duì)稱場(chǎng)的方式是利用發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)光的屏蔽效應(yīng)。由于光在物體中趨膚深度有限，光照時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的迎光面和背光面會(huì)表現(xiàn)出不同的活性，從而形成梯度，驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，例如各項(xiàng)同性的TiO2粒子會(huì)表現(xiàn)出負(fù)趨光性。

? ? ? 根據(jù)微納米發(fā)動(dòng)機(jī)在光觸發(fā)時(shí)驅(qū)動(dòng)力的來源不同，其驅(qū)動(dòng)機(jī)理包含了光致電解質(zhì)梯度，非電解質(zhì)梯度，溫度梯度驅(qū)動(dòng)，光致氣泡驅(qū)動(dòng)，光致表面張力驅(qū)動(dòng)以及光致形變驅(qū)動(dòng)。由光催化或光解材料構(gòu)成的微納米發(fā)動(dòng)機(jī)在光照時(shí)會(huì)發(fā)生非對(duì)稱的光催化或光解反應(yīng)，發(fā)生反應(yīng)物的消耗與產(chǎn)物的生成，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)的周圍形成反應(yīng)物或產(chǎn)物的濃度梯度場(chǎng)。根據(jù)反應(yīng)物或產(chǎn)物的種類不同，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)可以被電解質(zhì)（如AgCl粒子，TiO2/Pt雙面神結(jié)構(gòu)等）或非電解質(zhì)梯度（如各項(xiàng)同性TiO2粒子等）驅(qū)動(dòng)；當(dāng)光催化反應(yīng)或光解反應(yīng)時(shí)有氣泡生成時(shí)，也可以看作在發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)形成氣泡梯度場(chǎng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理為光致氣泡反沖機(jī)理，例如，管狀TiO2結(jié)構(gòu)的限域效應(yīng)使光催化H2O2分解產(chǎn)生的氣體很容易在其內(nèi)部成核生長(zhǎng)，形成氣泡從管一端釋放，推動(dòng)其反向運(yùn)動(dòng)。光致溫度梯度驅(qū)動(dòng)則主要發(fā)生在光熱材料組成的微納米發(fā)動(dòng)機(jī)上，其動(dòng)力來源于光觸發(fā)引起的光熱效應(yīng)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)周圍溫度的非對(duì)稱升高，產(chǎn)生熱泳力，從而推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。由于光致溫度梯度驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)不需要燃料且無廢物產(chǎn)生，因此在生物醫(yī)藥應(yīng)用上優(yōu)勢(shì)顯著；光致表面張力驅(qū)動(dòng)和光致形變驅(qū)動(dòng)則主要發(fā)生在由光致異構(gòu)材料構(gòu)成的發(fā)動(dòng)機(jī)上。光致異構(gòu)材料（如偶氮苯及其衍生物等）構(gòu)成的發(fā)動(dòng)機(jī)在特定波長(zhǎng)光照時(shí)會(huì)發(fā)生順-反異構(gòu)，表層分子的異構(gòu)會(huì)導(dǎo)致界面張力的變化，從而形成界面張力梯度，驅(qū)動(dòng)其朝著減小梯度的方向運(yùn)動(dòng)；光響應(yīng)的液晶彈性體在光照時(shí)由組成分子順-反異構(gòu)引起的伸縮形變，可以使其沿著形變方向運(yùn)動(dòng)，也可以認(rèn)為是一種光驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

近年來開發(fā)的光驅(qū)動(dòng)固體微納米發(fā)動(dòng)機(jī)主要在環(huán)境治理，貨物運(yùn)輸以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域表現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值；當(dāng)微納米發(fā)動(dòng)機(jī)被固定后，也可作為微型泵來驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)。但是光驅(qū)動(dòng)微納米發(fā)動(dòng)機(jī)有待提高的驅(qū)動(dòng)力和生物相容性限制了其目前的研究還主要集中在實(shí)驗(yàn)室研究階段。作者認(rèn)為，未來光驅(qū)動(dòng)微納米發(fā)動(dòng)機(jī)主要的發(fā)展方向是智能化，集導(dǎo)航，運(yùn)輸及功能化（如吸附、催化或藥物釋放等）于一身。例如，在環(huán)境治理方面，理想的微納米發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)快速的自主運(yùn)動(dòng)，具備智能化傳感與環(huán)境凈化的能力；在生物醫(yī)藥方面，具有精準(zhǔn)的定位，快速的運(yùn)動(dòng)以及有效的診斷和治療以及較好的生物相容性的微納米發(fā)動(dòng)機(jī)是我們所需要的。因此對(duì)于光驅(qū)動(dòng)體系來說，基于光熱效應(yīng)的紅外光驅(qū)動(dòng)的微納米發(fā)動(dòng)機(jī)在這方面優(yōu)勢(shì)顯著。文章中，作者結(jié)合光驅(qū)動(dòng)微納米發(fā)動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀，針對(duì)其目前有待提高的驅(qū)動(dòng)力和生物相容性等問題提出了未來的光控微納米發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向，并為未來智能化光驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展規(guī)劃了藍(lán)圖，指出光控微納米發(fā)動(dòng)機(jī)速度的提升和通訊能力的改進(jìn)是未來發(fā)展的重中之重。