Nano Lett.：高效自由式磁性纳米微粒

【引言】

机器人自动化处理机器，可以在不同环境下执行各种规模的任务。随着微米和纳米制造技术的发展，越来越多的微米和纳米级机器人系统应用于医疗设备的设计和开发。这些多功能机器人（微米级或更低）有望横穿生物组织，并且以显著的功效进行局部诊断和治疗。因此，开发能够快速推进并准确到达指定位置的微型和纳米级振动器极为重要。

【成果简介】

近日，加州大学Joseph Wang教授、哈尔滨工业大学李隆球教授、以色列化学工程研究中心Alexander M. Leshansky（共同通讯作者）研究了一种新型的磁性纳米机器人，一种对称的双臂纳米微粒，能够在低雷诺数下进行有效地“自由式”推进。实验观察和理论预测一致表明，双臂纳米机器强大的“自由式”推进归因于在磁场和粘性力的共同作用下纳米机器人的同步振荡变形，它们能够按照需求调整速度并进行远程导航。这种新的机制为纳米级生物医学操作上远程驱动纳米机器人开辟了新的可能性。该成果以“Highly Efficient Freestyle Magnetic Nanoswimmer”为题发表在期刊Nano Letters上。

【图文导读】

图1：双臂磁性纳米复合材料的设计与制造

（a）双臂纳米微粒的示意图。 在z方向上施加振荡磁场使纳米机器人进行自由式推进，两个纳米臂在x-y平面内摆动；

（b）双臂纳米复合材料的制造工艺：（I）NiO-Ag-Au-Ag-Ni片段在AAO膜中的电化学沉积；（II）溶解膜并释放纳米棒；（III）使用过氧化氢刻蚀银段作为可变形接头以获得双臂纳米微粒；

（c）双臂纳米微粒的SEM图像和双臂纳米微粒中Au，Ag和Ni元素相应的能量色散X射线光谱（EDX）映射。

图2：振荡磁场中双臂纳米微粒的自由式推进

（a）振动磁场的磁性设置；

（b）自由式纳米微粒（磁频率：17Hz）有效推进的时间推移图像；

（c）跟踪线，自由式纳米微粒1,2和3秒的行进距离；

（d）双臂纳米微粒的动力学及其在不同平面中的形状。

图3：自由式纳米微粒在不同磁频下的推进性能

（a）跟踪线，在频率为5Hz（I），15Hz（II），25Hz（III），35Hz（IV）和45Hz（V）的振荡磁场下，自由式纳米微粒在1秒钟内的行进距离；

（b）在海水（蓝色），中性（红色）和血清（粉红色）溶液中，磁频率从5至45Hz变化时，实验计算的自由式纳米微粒的推进速度。

图4：自由式纳米微粒的速度调控

（a）对于1秒15 Hz-1秒25 Hz的步频，自由式纳米微粒的速度响应；

（b）自由式纳米器件的速度调整的延时图像；

（c）在不同频率下，使用由方波、三角波和正弦波产生的振荡磁场，自由式纳米微粒的速度；

（d）在15Hz频率下，不同介质中不同臂长（长臂，Ni，1.3μm；短臂，Ni，0.8μm）的自由式纳米微粒的速度；

（e）自由式纳米微粒的磁控制方案；

（f）在15Hz频率下，自由式纳米微粒磁导向推进的20秒延时图像。

【小结】

在这项研究中，“振荡”磁场首次模拟了“旋转”场，表明平面振荡场能够为非平面推进过程提供动力。纳米机器人的速度和方向可以通过调节磁场强度进行远程调控。这种有效的推进机制从纳米级操作和组装到纳米医学的实际应用都具有相当大的发展前景。

文献链接：Li T, Li J, Morozov K, et al. Highly efficient freestyle magnetic nanoswimmer[J]. Nano Letters, 2017.

本文由材料人编辑部周梦青编译，点我加入材料人编辑部。

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