Nano Lett.：高效自由式磁性納米微粒

【引言】

機器人自動化處理機器，可以在不同環境下執行各種規模的任務。隨著微米和納米制造技術的發展，越來越多的微米和納米級機器人系統應用于醫療設備的設計和開發。這些多功能機器人（微米級或更低）有望橫穿生物組織，并且以顯著的功效進行局部診斷和治療。因此，開發能夠快速推進并準確到達指定位置的微型和納米級振動器極為重要。

【成果簡介】

近日，加州大學Joseph Wang教授、哈爾濱工業大學李隆球教授、以色列化學工程研究中心Alexander M. Leshansky（共同通訊作者）研究了一種新型的磁性納米機器人，一種對稱的雙臂納米微粒，能夠在低雷諾數下進行有效地“自由式”推進。實驗觀察和理論預測一致表明，雙臂納米機器強大的“自由式”推進歸因于在磁場和粘性力的共同作用下納米機器人的同步振蕩變形，它們能夠按照需求調整速度并進行遠程導航。這種新的機制為納米級生物醫學操作上遠程驅動納米機器人開辟了新的可能性。該成果以“Highly Efficient Freestyle Magnetic Nanoswimmer”為題發表在期刊Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖1：雙臂磁性納米復合材料的設計與制造

（a）雙臂納米微粒的示意圖。 在z方向上施加振蕩磁場使納米機器人進行自由式推進，兩個納米臂在x-y平面內擺動；

（b）雙臂納米復合材料的制造工藝：（I）NiO-Ag-Au-Ag-Ni片段在AAO膜中的電化學沉積；（II）溶解膜并釋放納米棒；（III）使用過氧化氫刻蝕銀段作為可變形接頭以獲得雙臂納米微粒；

（c）雙臂納米微粒的SEM圖像和雙臂納米微粒中Au，Ag和Ni元素相應的能量色散X射線光譜（EDX）映射。

圖2：振蕩磁場中雙臂納米微粒的自由式推進

（a）振動磁場的磁性設置；

（b）自由式納米微粒（磁頻率：17Hz）有效推進的時間推移圖像；

（c）跟蹤線，自由式納米微粒1,2和3秒的行進距離；

（d）雙臂納米微粒的動力學及其在不同平面中的形狀。

圖3：自由式納米微粒在不同磁頻下的推進性能

（a）跟蹤線，在頻率為5Hz（I），15Hz（II），25Hz（III），35Hz（IV）和45Hz（V）的振蕩磁場下，自由式納米微粒在1秒鐘內的行進距離；

（b）在海水（藍色），中性（紅色）和血清（粉紅色）溶液中，磁頻率從5至45Hz變化時，實驗計算的自由式納米微粒的推進速度。

圖4：自由式納米微粒的速度調控

（a）對于1秒15 Hz-1秒25 Hz的步頻，自由式納米微粒的速度響應；

（b）自由式納米器件的速度調整的延時圖像；

（c）在不同頻率下，使用由方波、三角波和正弦波產生的振蕩磁場，自由式納米微粒的速度；

（d）在15Hz頻率下，不同介質中不同臂長（長臂，Ni，1.3μm；短臂，Ni，0.8μm）的自由式納米微粒的速度；

（e）自由式納米微粒的磁控制方案；

（f）在15Hz頻率下，自由式納米微粒磁導向推進的20秒延時圖像。

【小結】

在這項研究中，“振蕩”磁場首次模擬了“旋轉”場，表明平面振蕩場能夠為非平面推進過程提供動力。納米機器人的速度和方向可以通過調節磁場強度進行遠程調控。這種有效的推進機制從納米級操作和組裝到納米醫學的實際應用都具有相當大的發展前景。

文獻鏈接：Li T, Li J, Morozov K, et al. Highly efficient freestyle magnetic nanoswimmer[J]. Nano Letters, 2017.

本文由材料人編輯部周夢青編譯，點我加入材料人編輯部。

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