我国科学技能大学工程科学学院微纳米工程实验室吴东教授、褚家如教授课题组，根据数字微镜阵列（DMD）系统，使用激光光场调制技能，加工出一种新颖的高功能自驱动水凝胶微马达，并探究其在动能传输、微型发电机等方面的使用远景，为微型旋转机械的规划与制作开辟了新的方向。该研讨成果近期以“High-performance Marangoni hydrogel rotors with asymmetric porosity and drag reduction profile”为题宣布在《Nature Communications》上。
自驱动现象在自然界中无处不在，规模从纳米规范（驱动蛋白）到厘米规范（节肢动物）。例如，当一种名叫突眼隐翅虫的甲虫被风吹落到水面上时，它会在其尾部排泄表面活性剂，将自己快速推回岸边（图1a）。这种自驱动现象是由表面张力梯度引起的，被称为马兰戈尼效应。受此启示，研讨人员根据DMD的激光光场调制技能，使用水凝胶（PNIPAm）和表面活性剂（HFIP），规划并加工出具有非对称孔隙微结构和三次样条曲线外形的自驱动微马达（图 1c和1d）。该自驱动微马达也能好像突眼隐翅虫一般，在本身周围缓慢排泄表面活性剂，调理周围表面张力散布，然后驱动本身高速滚动（图1b和1e）。得益于非对称孔隙微结构操控表面活性剂的开释速率然后增强表面张力梯度，以及三次样条曲线外形规划用于减阻，该研讨中的自驱动微马达比较于现有报导中相似系统的作业在功能上得到极大的提高。以滚动输出和燃料功率这两个归一化参数为规范，该自驱动微马达在滚动输出上提高了15倍，在燃料功率上提高了34％。
图1.微马达的自驱动原理。(a-b)遭到突眼隐翅虫启示的自驱动水凝胶微马达；(c-d)微马达的微结构和形状规划；(e)微马达的自驱动原理。
之后，研讨人员进一步探究了自驱动微马达的使用远景。如图2a所示，自驱动微马达能够终究靠齿轮啮合，向外输出不同的转速和扭矩，以此来完成动能传输的作用。进一步地，研讨人员将自驱动微马达使用于微型发电机中（图2b-c），经过自驱动微马达带动磁铁在线圈中运动，由此发生感应电压，在经过二极管整流和电容储能升压之后，发生的电能能够点亮LED。
图2.微马达用于动能传输和发电。(a)自驱动微马达用于减速器和增速器；(b-c)自驱动微马达用于微型发电机。
为了更好的操控自驱动微马达的运动行为，研讨人员在微马达中掺杂纳米铁粉。经过不同的磁场，完成了对微马达自驱动行为的精准操控。例如，经过条形磁铁能轻松完成微马达的启停操控（图3a）；经过圆柱形磁铁能轻松完成微马达的自转/公转切换操控（图3b）。此外，这种磁控行为还能够作用于多个微马达，完成多个微马达沿着同一/不同半径的轨迹进行公转（图3c-d）。
图3.自驱动磁性微马达的运动操控及用于水净化。(a)条形磁铁能轻松完成微马达的启停操控；(b)圆柱形磁铁能轻松完成微马达的自转/公转切换操控；(c-d)多个微马达的集体操控。
微纳米工程实验室的吴昊博士和陈羿宇博士为该作业的一起榜首作者，通讯作者为吴东教授，合作者包含工程科学学院吴恒安教授团队和李二强教授团队。该项研讨作业得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研制方案、安徽省科技严重专项等基金的支撑。