多重响应液体弹珠的构建、光控运动与性能研究

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液体弹珠(Liquid marble)作为一种被固体颗粒包裹形成的不润湿液滴,可以稳定存在于固体和液体表面。得益于外层颗粒和内部溶液的多样性,液体弹珠展现出独特的运动和应用功能,其能够在磁、光、电场、表面张力的驱动下运动,也可以对pH、温度、表面张力等外界环境实现传感,以及被作为一些诸如微型反应器、细胞培养器等用途。因此,液体弹珠在微量液滴操控和环境传感等领域表现出广阔的应用前景。然而,目前运动型液体弹珠仅具有单一的驱动方式,很难满足复杂的环境需求。同样,环境传感型液体弹珠仅局限于静态检测,极大地限制了液体弹珠的应用领域,如大面积或流体管道内的水质检测。鉴于此,本文分别以外层颗粒和内部溶液为出发点,采用全新的思路构建了两种液体弹珠,旨在丰富液体弹珠的运动模式和优化液体弹珠的环境应用性能,具体研究结果如下:(1)我们发展了一种近红外光驱动的磁性液体弹珠,且首次实现了一种仅通过调整光照位点即可改变趋光性的光操控手段。该液体弹珠以油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子(Fe3O4@OA NPs)作为稳定剂。基于该粒子的超顺磁性,液体弹珠能够在固/液表面发生磁牵引运动。同时,利用其良好的光热性能(0.63的吸光度),当近红外光照射液体弹珠下半球时,引起照光侧局部温度升高,产生马兰戈尼流驱动自身发生负趋光运动。而当调整光照位点至上半球时,Fe3O4@OA NPs良好的透光率(0.23)有助于光穿透液体弹珠照射于背光侧的下半球粒子,从而产生反向马兰戈尼流诱导正趋光运动。这种光/磁双响应液体弹珠集光驱和磁驱的优点于一体,且具有简单可调的趋光性,有效丰富了液体弹珠的运动模式和应用环境。(2)我们首次采用混合不同功能粒子的方式,以疏水性炭黑(CB)和庚胺修饰的二氧化钛(HA-TiO2)的混合物作为稳定剂,基于CB的光热性能和HA-TiO2遇酸发生疏-亲水转变的特性,发展了一种光/pH响应的液体弹珠用于动态pH传感。其中,可通过调节两者的质量比实现对不同响应程度的调控。对于本文确定的最优质量比0.4:1(CB:HA-TiO2)而言,可实现对pH≤6.2的酸性环境检测,且传感时间保持在2 min以内。此外,得益于液体弹珠对微量液滴的操控功能,我们以TiO2-Au微米粒子溶液替代上述弹珠内的纯水,首次构建了一种内包覆固体颗粒溶液的液体弹珠。由于该粒子的亲水性,当液体弹珠遇酸破裂后,能够以高于99%的比例完成对内部TiO2-Au的定点释放,基于其优异的光催化性能,从而实现对酸性废水的处理。此种液体弹珠采用新的构建思路,突破了以往静态检测的局限性,且首次实现了液体弹珠的环境治理功能,为液体弹珠用于环境领域提供了新的思路。本文分别从构建多功能外层固体颗粒、混合多种稳定剂和改进内部溶液的单一性三方面,赋予了液体弹珠新的构建方式。并且对液体弹珠的光驱动模式和环境应用性能提出了指导性的思路。
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