唐晉堯Nature子刊：人工設計的趨光性微型發動機

【引語】

2016年10月17日，Nature Nanotechnology網站在線發表了題為“Programmable artificial phototactic microswimmer”的文章。該文章的第一作者是香港大學的Baohu Dai，通訊作者為香港大學的唐晉堯教授。在這篇文章中，研究人員報道了一種基于兩性TiO₂/Si納米樹的光驅動微型發動機。

【成果簡介】

趨光性是生物意義上的光的方向和自身朝向或遠離它的能力。根據不同的光照強度、營養狀況和光合活性，微生物可以游向光源（趨光性）或遠離光源（負趨光性）。這種趨光能力使得微生物能夠得到更多的光照或提高他們發現光合生物的概率，這些光合生物是微生物的食物。自主運動在一些合成的兩性納米線中也被發現。這些兩性納米線作為納米發動機，利用周圍的能源如化學燃料、光、聲場、磁場或電場產生推進力。由于其簡易性和本質上的小尺寸（通常為幾百納米到幾微米），這些微/納米發動機被認為是一種用于納米動力自主系統中理想的組件，該系統可用于靶向藥物傳遞和非侵入性顯微手術。

然而，由于無活性的納米線只顯示出增強的擴散作用，方向控制在許多應用領域中也是必不可少的。主動藥物傳遞，納米發動機應該能夠面向特定的化學信號，如證明在趨化性和趨pH性。對于某些應用，如無創手術和納米加工，研究人員希望利用外部區域對微/納米發動機進行遠程控制。為了實現這一目標，鐵磁段（如Ni）已納入納米發動機，這些使納米發動機在外部磁場作用下整齊排列。同樣，光信號可以用來引導微觀遷移，如以前使用天然趨光性來進行運輸。一些光敏半導體如AgCl納米粒子，二氧化鈦（TiO₂）納米微粒和微管在光照下表現出自主運動。它也表明，光照可以通過降低本地燃料、表面活性劑濃度來抑制Ti/Cr/Pb催化微型發動機的遷移，這也暗示了人工制造光誘導微型/納米發動機的可行性。

香港大學的研究人員展示了一種基于兩性TiO₂/Si納米樹的光驅動微型發動機。這種微型發動機由光電陰極和光電陽極組成。在光照下，光驅動光電化學（PEC）反應在納米樹相對的兩端分別生成陰離子和陽離子，導致產生的離子不對稱分布，驅動納米結構自電泳。此外，類似于自然界中的微生物，TiO₂納米線頂端的遮蔽效能引導納米樹朝向光照方向。通過化學改性控制納米結構的界面電勢電位，我們成功地制造了同時具有正、負趨光性的微型發動機，它能夠在個體層次和宏觀尺度上模擬出自然界中的趨光藻類。

圖文導讀：

圖1 一種兩性人造微型發動機的設計示意圖和結構表征圖

（a）一種兩面人工微型發動機的示意圖。TiO₂納米線陣列（黃色）在硅納米線（粉色）上生長。鉑（黑）納米顆粒作為催化劑，附著在硅納米線表面。在光照條件下，光生少數載流子在納米樹表面驅動PEC反應并生成帶電的PEC產物。由非平衡離子產生的電場將驅動帶電的兩性納米樹。

（b）在硅基底上制備兩性納米樹集合的偽色SEM圖。

（c）單獨一個兩性樹狀納米的TEM圖。一根TiO₂納米線選區電子衍射圖案（右上）和硅納米線（左下）顯示出這兩種材料的單晶性質。

圖2 紫外光照射下單獨一個兩性納米樹的遷移

（a, b）連續的幀圖像疊加后顯示單獨一個兩性納米樹于整體光照情況下在（a）0.1%的H₂O₂和在（b）1,4-苯醌和對苯二酚混合溶液中的遷移（1mM: 10mM）。箭頭指示遷移方向。

（c）一個典型的原始兩性納米樹于短曝光條件下在0.1%的H₂O₂中的遷移速度。比例尺10 μm。

圖3 經化學處理后兩性納米樹的遷移

（a-c）連續幀圖像疊加顯示經化學處理后兩性納米樹的遷移。箭頭指示遷移方向。經AEEA處理的兩性納米樹向尾部方向遷移，而經鉑或CSPTMS處理的兩性納米樹向頭部方向遷移。

（d）兩性納米樹的遷移速度與光強呈線性關系。經鉑或CSPTMS處理的兩性納米樹向頭部方向遷移，以此作為逆向速度。不同納米樹的光強歸一化遷移速度如圖所示（95%置信區間）。

比例尺為10 μm。

圖4 兩性納米樹隨光照方向的自對準和納米樹導航

（a）納米樹隨單側光照射的自對準機理示意圖。在光照側和陰影側的TiO₂納米線之間不對稱反應速度在產生不平衡的H⁺分布和垂直于納米樹對稱軸的電場E。由于TiO₂頭部帶正電荷，電場力F轉動納米樹，推動TiO₂的頭部遠離光源。

（b）角速度ω與光強呈現線性關系。上方插圖：圖上顯示ω隨光照角度θ而變化并符合ω=Csin(θ+θ_o)+ω_o。下方插圖：單獨一個原始納米樹隨光源旋轉而旋轉的連續幀圖像疊加圖。比例尺10 μm。

（c）通過光線操縱一個原始的納米樹拼寫出“nano”的軌跡。

圖5 經化學處理后單獨一個兩性納米樹的可設計趨光性

（a, b）連續幀圖像疊加顯示原始的和AEEA處理的兩性納米樹向尾部方向遷移并且顯示出正趨光性。

（c）經CSPTMS處理的兩性納米樹向頭部方向遷移并顯示出逆趨光性。

（d）鉑納米顆粒修飾的兩性納米樹向頭部方向遷移并顯示出正趨光性。比例尺10 μm。

圖6 與天然綠藻相比，人工微型發動機的訓練

（a）懸浮在溶液中的E. gracilis綠藻受到從右側光照射顯示出正趨光性的連續圖像。

（b, c）懸浮在H₂O₂溶液中原始的和經AEEA處理的兩性納米樹受到右側紫外線照射顯示出正（b）和（c）逆趨光性。

【小結】

研究人員提出一種基于兩性納米樹結構的光控人工微型發動機，它能夠自發對準光線的傳播方向，模擬自然界能動藻類的趨光性。這個納米樹結構的優點是雙重的。首先，三維TiO₂納米線的頭部能夠進行可控的自主運動來遠離自身對稱軸，這是納米馬達導航的關鍵。其次，由于納米發動機是由不同的材料組成，正交的化學修飾是可以實現的，從而為納米發動機設計提供了足夠的靈活性。在文中，兩性納米樹由TiO₂成分的頭部引導，而整體的Zeta電位決定其遷移的速度和方向。通過通過化學改性來單獨控制頭部和整體的表面電荷，研究人員成功地使納米發動機顯示出或正或逆的趨光性。

文獻鏈接：Programmable artificial phototactic microswimmer (Nature Nanotechnology, 2016, DOI:10.1038/NNANO.2016.187）

本文由材料人編輯部納米組JunHan Kong供稿，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。