偏心中空二氧化钛微米马达的光控运动行为研究开题报告

全文总字数：4929字

1. 研究目的与意义（文献综述）

微纳米马达是一种能从环境中获取能量并将其转换成自身动能的微纳米粒子或器件。由于其在液体环境中独特的运动特性和特殊的功能，因此在生物医学、微纳米工程、环境治理等领域有着巨大的应用前景。到目前为止，研究者们致力于使微纳米马达获取更快的运动速度、更高的可控性、更低的制备成本、更环保的燃料以及生物相容的能量来源。在研究者们的精心设计下，通过对结构和材料的不断改进，已经制备出了具有各种各样结构的微纳米马达。其中，构造多组分不对称性是微纳米马达设计中最常用的策略，如janus微球（au/tio₂、sio₂/tio₂等）、双金属棒（pt/au等）、多金属线（pt/ni/au等）、多层管（pani/pt等）等。然而，这些多组分非对称结构的微纳米马达往往需要繁琐的制备方法，昂贵的材料组成，小规模、高成本的制备技术和精密的仪器设备，这都将在一定程度上阻碍其发展及应用。

最近，基于构建光场和固有晶相的不对称，本课题组分别研制出了各向同性二氧化钛微米马达和锐钛矿/金红石二氧化钛微米马达，此两种微米马达均由单组份二氧化钛组成，具有材料便宜易得、制备方法简单、可大规模制备等优势，且能表现出良好的运动性能。然而，由于二氧化钛本身较宽的能带结构，它们仅能被紫外光激发而光催化降解双氧水产生氧气等产物，而紫外光具有很强的穿透能力，对生物体有强大的杀伤力，不利用生物领域的应用。综上所述，开发出成本低、可大规模生产、便于控制且具有可见光控能力的微纳米马达至关重要。

在本课题的实验中，我们设计了一种具有偏心中空结构的二氧化钛微米马达。该微米马达具有外表面各向同性而内部质量非对称分布的结构。通过对其进行染料敏化，增加该马达激发光的波长范围，使其能吸收可见光产生不对称的光催化反应，形成不对称的产物浓度梯度，从而引起运动。通过改变光的波长，探究该马达的可激发波长范围；调节光照强度、光照时间，探究该马达的运动速度控制手段；调节光照方向、燃料浓度，观察该马达的运动行为并分析其中的机理。本课题不仅提出了一种的新的马达结构设计方法，同时还采用了可见光作为激发手段，光控具有操作方便、可实时三维远程施加、可聚焦、成像和精确定位等优点，是控制微纳米马达运动的一种理想手段。本课题的实现将丰富马达结构设计思想，为光控马达在生物体中的应用奠定基础。

2. 研究的基本内容与方案

本课题主要设计了一种偏心中空二氧化钛微球，具有表面各向同性和内部质量非对称的结构，对其进行染料敏化，增加该马达激发光的波长范围，使其能吸收可见光产生不对称的光催化反应，形成不对称的产物浓度梯度，从而引起运动。具体研究内容如下：

1．文献调研，对光控微纳米马达的驱动机理、制备方法和应用领域进行全面了解；

2．制备样品，偏心中空二氧化钛微米马达的制备和表征；

3．对样品进行染料敏化，探索敏化的各种参数；

3. 研究计划与安排

第1—4周：查阅相关文献资料，翻译英文文献；整理资料，在任务书的基础上，设计研究方案，确定切实可行的实验技术路线，了解相关的结构和性能的测试方法；撰写开题报告，开题答辩；

第5—8周：光控偏心中空二氧化钛微纳米马达的制备和表征；

第9—16周：偏心中空二氧化钛微纳米马达的染料敏化，并探究其在不同条件下的运动性能和影响因素；

第17—18周：分析实验数据，撰写毕业论文；上传论文；

4. 参考文献（12篇以上）

1. xu, l.; mou, f.; gong, h.; luo, m.; guan,j., light-driven micro/nanomotors: from fundamentals to applications. chem.soc. rev. 2017, 46 (22), 6905-6926.

2. chen, c.; mou, f.; xu, l.; wang, s.; guan,j.; feng, z.; wang, q.; kong, l.; li, w.; wang, j.; zhang, q., light-steeredisotropic semiconductor micromotors. adv. mater. 2017, 29 (3), 1603374.

3. safdar, m.; khan, s. u.; janis, j.,progress toward catalytic micro- and nanomotors for biomedical andenvironmental applications. adv. mater. 2018, 30 (24), 1703660.