【摘 要】
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在自然界中,高效的生物马达可以在体内自发的执行各种任务。天然生物马达几乎参与细胞的分裂、生长、和迁移等全部生命周期。受此启发,近些年来人造胶体马达的设计和构筑已经成为了科学家的关注热点,并期望实现其在微纳米尺度下的精准受控运动,以满足在分子尺度中执行复杂精细任务的应用。经过科学家多年的探索,不对称胶体马达已经成为目前的研究重点,其中典型的Janus胶体马达是一种多功能的各向异性粒子,基于其不对称的
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在自然界中,高效的生物马达可以在体内自发的执行各种任务。天然生物马达几乎参与细胞的分裂、生长、和迁移等全部生命周期。受此启发,近些年来人造胶体马达的设计和构筑已经成为了科学家的关注热点,并期望实现其在微纳米尺度下的精准受控运动,以满足在分子尺度中执行复杂精细任务的应用。经过科学家多年的探索,不对称胶体马达已经成为目前的研究重点,其中典型的Janus胶体马达是一种多功能的各向异性粒子,基于其不对称的结构可以有效地自主运动,为各种任务提供无限的可能性。开发具有可控尺寸、工程化纳米结构和创新驱动机制的新型Janus胶体马达一直是研究者的挑战,相较于常规泳驱动胶体马达,引入渗透压作为马达的驱动力可以使马达的运动能力显著增强,更加高效、安全且可靠。本实验以生物相容性聚合物为构筑材料,基于自底向上的自组装技术构筑渗透压驱动的Janus胶体马达,并在酸性溶液中成功实现马达的自驱动行为。通过优化实验条件,确定制备单分散介孔碳酸钙(Ca CO3)微球的最佳条件是转速为400rpm,搅拌时间为30 s。进一步,在含15 mg/m L多巴胺的碱性Tris试剂中构筑聚多巴胺(PDA)膜层,构建了具有开口结构的Ca CO3-PDA Janus胶体马达。基于Ca CO3-PDA Janus胶体马达进行逐层组装聚苯乙烯磺酸钠/聚烯丙基胺盐酸盐(PSS/PAH)开口膜层,成功构筑了具有开口膜层的Ca CO3/PDA/(PSS/PAH)n Janus胶体马达。通过对两种马达在盐酸溶液中运动的均方位移、扩散系数、平均速度等运动数据分析,发现当在燃料浓度超过3.25 mmol/L时,马达具有明显的自驱动行为,并随燃料浓度的提高,其运动活性随之增大。此外,随着Ca CO3/PDA/(PSS/PAH)n Janus胶体马达的开口聚电解质膜层增多,其对燃料溶液响应程度表现出下降趋势。进一步对两种马达进行有限元仿真以分析其自驱动机理,阐明其利用渗透压变化实现马达的自驱动机制,实现胶体马达在酸性环境中的高效自驱动。综上,本文利用多巴胺的碱性自聚合作用与自底向上的层层自组装技术结合,成功构筑渗透压驱动的Janus胶体马达,并实现其在酸性环境中的高效自驱动运动。这些研究成果将为后续进一步深入开发研究Janus胶体马达的驱动行为及运动机理奠定了良好的基础,并为探索胶体马达的运动机理和开发新型驱动机制提供了新思路。
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