唐晋尧Nature子刊：人工设计的趋光性微型发动机

【引语】

2016年10月17日，Nature Nanotechnology网站在线发表了题为“Programmable artificial phototactic microswimmer”的文章。该文章的第一作者是香港大学的Baohu Dai，通讯作者为香港大学的唐晋尧教授。在这篇文章中，研究人员报道了一种基于两性TiO₂/Si纳米树的光驱动微型发动机。

【成果简介】

趋光性是生物意义上的光的方向和自身朝向或远离它的能力。根据不同的光照强度、营养状况和光合活性，微生物可以游向光源（趋光性）或远离光源（负趋光性）。这种趋光能力使得微生物能够得到更多的光照或提高他们发现光合生物的概率，这些光合生物是微生物的食物。自主运动在一些合成的两性纳米线中也被发现。这些两性纳米线作为纳米发动机，利用周围的能源如化学燃料、光、声场、磁场或电场产生推进力。由于其简易性和本质上的小尺寸（通常为几百纳米到几微米），这些微/纳米发动机被认为是一种用于纳米动力自主系统中理想的组件，该系统可用于靶向药物传递和非侵入性显微手术。

然而，由于无活性的纳米线只显示出增强的扩散作用，方向控制在许多应用领域中也是必不可少的。主动药物传递，纳米发动机应该能够面向特定的化学信号，如证明在趋化性和趋pH性。对于某些应用，如无创手术和纳米加工，研究人员希望利用外部区域对微/纳米发动机进行远程控制。为了实现这一目标，铁磁段（如Ni）已纳入纳米发动机，这些使纳米发动机在外部磁场作用下整齐排列。同样，光信号可以用来引导微观迁移，如以前使用天然趋光性来进行运输。一些光敏半导体如AgCl纳米粒子，二氧化钛（TiO₂）纳米微粒和微管在光照下表现出自主运动。它也表明，光照可以通过降低本地燃料、表面活性剂浓度来抑制Ti/Cr/Pb催化微型发动机的迁移，这也暗示了人工制造光诱导微型/纳米发动机的可行性。

香港大学的研究人员展示了一种基于两性TiO₂/Si纳米树的光驱动微型发动机。这种微型发动机由光电阴极和光电阳极组成。在光照下，光驱动光电化学（PEC）反应在纳米树相对的两端分别生成阴离子和阳离子，导致产生的离子不对称分布，驱动纳米结构自电泳。此外，类似于自然界中的微生物，TiO₂纳米线顶端的遮蔽效能引导纳米树朝向光照方向。通过化学改性控制纳米结构的界面电势电位，我们成功地制造了同时具有正、负趋光性的微型发动机，它能够在个体层次和宏观尺度上模拟出自然界中的趋光藻类。

图文导读：

图1 一种两性人造微型发动机的设计示意图和结构表征图

（a）一种两面人工微型发动机的示意图。TiO₂纳米线阵列（黄色）在硅纳米线（粉色）上生长。铂（黑）纳米颗粒作为催化剂，附着在硅纳米线表面。在光照条件下，光生少数载流子在纳米树表面驱动PEC反应并生成带电的PEC产物。由非平衡离子产生的电场将驱动带电的两性纳米树。

（b）在硅基底上制备两性纳米树集合的伪色SEM图。

（c）单独一个两性树状纳米的TEM图。一根TiO₂纳米线选区电子衍射图案（右上）和硅纳米线（左下）显示出这两种材料的单晶性质。

图2 紫外光照射下单独一个两性纳米树的迁移

（a, b）连续的帧图像叠加后显示单独一个两性纳米树于整体光照情况下在（a）0.1%的H₂O₂和在（b）1,4-苯醌和对苯二酚混合溶液中的迁移（1mM: 10mM）。箭头指示迁移方向。

（c）一个典型的原始两性纳米树于短曝光条件下在0.1%的H₂O₂中的迁移速度。比例尺10 μm。

图3 经化学处理后两性纳米树的迁移

（a-c）连续帧图像叠加显示经化学处理后两性纳米树的迁移。箭头指示迁移方向。经AEEA处理的两性纳米树向尾部方向迁移，而经铂或CSPTMS处理的两性纳米树向头部方向迁移。

（d）两性纳米树的迁移速度与光强呈线性关系。经铂或CSPTMS处理的两性纳米树向头部方向迁移，以此作为逆向速度。不同纳米树的光强归一化迁移速度如图所示（95%置信区间）。

比例尺为10 μm。

图4 两性纳米树随光照方向的自对准和纳米树导航

（a）纳米树随单侧光照射的自对准机理示意图。在光照侧和阴影侧的TiO₂纳米线之间不对称反应速度在产生不平衡的H⁺分布和垂直于纳米树对称轴的电场E。由于TiO₂头部带正电荷，电场力F转动纳米树，推动TiO₂的头部远离光源。

（b）角速度ω与光强呈现线性关系。上方插图：图上显示ω随光照角度θ而变化并符合ω=Csin(θ+θ_o)+ω_o。下方插图：单独一个原始纳米树随光源旋转而旋转的连续帧图像叠加图。比例尺10 μm。

（c）通过光线操纵一个原始的纳米树拼写出“nano”的轨迹。

图5 经化学处理后单独一个两性纳米树的可设计趋光性

（a, b）连续帧图像叠加显示原始的和AEEA处理的两性纳米树向尾部方向迁移并且显示出正趋光性。

（c）经CSPTMS处理的两性纳米树向头部方向迁移并显示出逆趋光性。

（d）铂纳米颗粒修饰的两性纳米树向头部方向迁移并显示出正趋光性。比例尺10 μm。

图6 与天然绿藻相比，人工微型发动机的训练

（a）悬浮在溶液中的E. gracilis绿藻受到从右侧光照射显示出正趋光性的连续图像。

（b, c）悬浮在H₂O₂溶液中原始的和经AEEA处理的两性纳米树受到右侧紫外线照射显示出正（b）和（c）逆趋光性。

【小结】

研究人员提出一种基于两性纳米树结构的光控人工微型发动机，它能够自发对准光线的传播方向，模拟自然界能动藻类的趋光性。这个纳米树结构的优点是双重的。首先，三维TiO₂纳米线的头部能够进行可控的自主运动来远离自身对称轴，这是纳米马达导航的关键。其次，由于纳米发动机是由不同的材料组成，正交的化学修饰是可以实现的，从而为纳米发动机设计提供了足够的灵活性。在文中，两性纳米树由TiO₂成分的头部引导，而整体的Zeta电位决定其迁移的速度和方向。通过通过化学改性来单独控制头部和整体的表面电荷，研究人员成功地使纳米发动机显示出或正或逆的趋光性。

文献链接：Programmable artificial phototactic microswimmer (Nature Nanotechnology, 2016, DOI:10.1038/NNANO.2016.187）

本文由材料人编辑部纳米组JunHan Kong供稿，材料牛编辑整理。

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