中科院力學(xué)所利用微流控技術(shù)制備碗狀微馬達(dá)

時(shí)間：2022/01/17    點(diǎn)擊量：176

能夠自主運(yùn)動(dòng)的微納米機(jī)器在過(guò)去的10多年間得到了快速發(fā)展，而作為關(guān)鍵的動(dòng)力部件，關(guān)于微納馬達(dá)（能夠?qū)⒅車h(huán)境中的能量轉(zhuǎn)化為自身運(yùn)動(dòng)的活性微納顆粒）的研究也逐漸深入。其中，微氣泡驅(qū)動(dòng)的微馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)效率最高的一種，其驅(qū)動(dòng)機(jī)理引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。

不同于以往研究局限于規(guī)則球型微馬達(dá)，中科院力學(xué)所研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)自研的微流控芯片技術(shù)制備了具有不同凹/凸曲面的碗狀微馬達(dá)。通過(guò)鍍層位置控制微氣泡分別生成于凹面或者凸面，可以相應(yīng)實(shí)現(xiàn)微馬達(dá)朝凸面或凹面驅(qū)動(dòng)。研究揭示了曲面曲率對(duì)微氣泡成核及生長(zhǎng)過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)凹面抑制氣泡形成導(dǎo)致較小的微氣泡尺寸及較慢的氣泡生長(zhǎng)周期。進(jìn)而通過(guò)引入Kelvin沖量來(lái)描述氣泡潰滅形成的射流對(duì)微馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)作用。由于射流對(duì)應(yīng)的Re數(shù)可達(dá)10，不能簡(jiǎn)單的基于低Re數(shù)Stokes流理論忽略微馬達(dá)形狀的影響。

圖1 微流控制備方法

圖2 凹馬達(dá)(左)和凸馬達(dá)(右)的氣泡潰滅射流流場(chǎng)顯示

圖3 凹馬達(dá)(左列)和凸馬達(dá)(右列)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)圖像、驅(qū)動(dòng)速度及氣泡生長(zhǎng)標(biāo)度率

綜合上述因素，研究發(fā)現(xiàn)并解釋了從凸面生長(zhǎng)氣泡并朝凹面運(yùn)動(dòng)的微馬達(dá)具有更高的速度。研究結(jié)果為通過(guò)形狀調(diào)控微馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)制及微氣泡動(dòng)力學(xué)行為提供了理論基礎(chǔ)，并為微機(jī)器人應(yīng)用中采用非常規(guī)形狀微馬達(dá)提供了新思路。

該工作以Distinct dynamics of self-propelled bowl-shaped micromotors caused by shape effect: Concave vs convex為題發(fā)表于Physics of Fluids。

來(lái)源：麥姆斯咨詢