NEMS外場驅動微電機研究進展

曹富林,許立忠

(燕山大學，秦皇島 066004)

0 引 言

各種新材料技術、微納加工技術、傳統(tǒng)機械的學科交叉，為納機電系統(tǒng)(以下簡稱NEMS)微電機的發(fā)展注入了動力。微電機可利用內(nèi)部化學燃料通過催化反應實現(xiàn)驅動；此外，尚可通過外部能量實現(xiàn)驅動，可借助于磁場、聲場、電場、光場以及多場混合等外場方式產(chǎn)生驅動力。微電機在生物醫(yī)學、航空航天以及通信工程中具有重要的應用，特別是在生物領域的應用尤為廣泛，可以實現(xiàn)藥物的定向投放，精密手術以及生物傳感等功能。

1987年,加州大學伯克利分校以硅為原材料，利用微加工技術制造出可轉動微電機[1]，此后各種尺寸、性能和驅動機制的新型微/納米電機不斷地被研制成功。微電機能夠實現(xiàn)多種形式的機械運動，例如旋轉、滾動、穿梭和輸送等；通常由復合材料制成，例如硅基材料、聚合物以及合金等，尺寸范圍為微米級至納米級；形狀多樣，包括線狀、球狀以及管狀等。本文將按驅動機制對微電機進行分類，總結微電機的研究現(xiàn)狀并展望其發(fā)展前景，為微電機的進一步發(fā)展提供借鑒。

1 微電機類型

1.1 磁驅動微納米電機

磁驅動微電機的動力是由電流產(chǎn)生的磁場或者磁性材料提供的。與其他推動機制相比，磁驅動具有良好的生物相容性和對細胞無損的能量傳輸機制，是微納米電機最具前途的驅動方法之一。因為微電機的運動是通過外部磁場控制的，故不需要任何燃料，并且具有輸出力大，輸入阻抗低，驅動電壓小等特點。電磁式微電機通常由電導體或線圈系統(tǒng)，軟磁或硬磁材料以及絕緣和嵌入電介質組成，目前已知的磁性材料主要包括鐵、鈷、鎳及其合金等。與其他材料相比，金屬鎳是微納米電機制造中應用最為廣泛的，鎳可以通過微電鑄、蒸發(fā)鍍或者磁控濺射的方式獲得。微電機的運動取決于磁力的大小和方向，總體結構尺寸通常在幾厘米的范圍內(nèi)，而執(zhí)行結構在微米范圍內(nèi)。電磁式微電機按照運動輸出的形式可分為線性微電機和旋轉微電機。

2007年，德國布倫瑞克工業(yè)大學研制出第一代集成可變磁阻線性微電機，由定子極和移動極兩部分組成，如圖1所示。其磁通量是由纏繞在定子磁極周圍的三維線圈在平面內(nèi)產(chǎn)生的，移動梳形磁極在定子磁極之間，其兩側被電磁力吸引，移動極產(chǎn)生直線運動[2]。該微電機由紫外光刻、電鑄和注塑技術制造而成，整體外廓尺寸為10 mm×12 mm，梳齒間隙僅為100 μm，輸出力可達4 mN。2008年，布倫瑞克工業(yè)大學在線性微電機的基礎上提出一種旋轉步進可變磁阻微電機，驅動原理與線性微電機相似，同樣利用磁極對的相互吸引提供動力，該電機能夠實現(xiàn)最低16.7 μm的微小步幅，最大轉矩達到0.3 μN·m[3]。

圖1 集成可變磁阻線性微電機[2]

2010年，Gao等[4]采用電化學沉積法制造出納米線微電機，首先通過微電鑄制造出由Au-Ag-Ni組成的納米線，繼而通過化學腐蝕去除部分銀，減小銀納米線的直徑，制造出一種鞭毛型結構，如圖2所示，通過外部磁場驅動微電機尾部的鎳旋轉，從而推動微電機的運動。通過仿照細菌的螺旋運動方式，Berg H C等[5]成功將磁場驅動應用于微螺旋結構。磁致驅動螺旋微納米電機可適應復雜環(huán)境，易于控制，在生命科學領域展現(xiàn)出很大的潛力。2013年，Li等[6]采用模板輔助電沉積技術制造出直徑100 nm，長度為600 nm的螺旋納米電機，如圖3所示，通過將Pd/Cu納米棒模板電沉積到納米多孔膜模板中，然后除去Cu，并用磁性Ni層電子束涂覆所得到的Pd納米片來制備Pd螺旋納米結構，該方法具有制作效率高，成本低廉的優(yōu)點。近來，開始有學者采用微生物作為模板應用到微納米電機的制造中。2014年，Gao等[7]以一種植物纖維為材料，成功地制造出螺旋微電機，把植物的葉片切開后平鋪到玻璃基底上，采用氣相沉積法使Ti和Ni沉積于螺旋植物纖維，基于Ni的磁性用外部磁場驅動電機；2015年，Zhang等[8]以鏈霉菌自身結構為模板，在鏈霉菌表面涂抹一層鐵前體溶液，通過熱處理工藝獲得與鏈霉菌結構尺寸相近的多孔螺旋電機。Janus粒子具有兩個性質不同的表面，因此受到眾多學者的青睞[9]。2016年，Lee等[10]通過氣相沉積金屬鎳，獲得了具有磁性的Janus粒子，通過改變驅動磁場，能夠對Janus粒子的運動加以控制。與納米線類似，管狀微納米電機具有長度形狀，但其特征在于具有特定內(nèi)部和外部部分的管狀結構。

圖2 納米線微電機及驅動示意圖[4]

(a)

(b)

(c)

磁致驅動作為一種不需要任何燃料的驅動方法，是用于驅動微納米電機的重要技術手段，已經(jīng)引起研究者的廣泛關注。當前的磁致驅動微納米電機的研究仍處于初級階段，但很多學者逐漸把磁驅微納米電機應用于生物實驗，例如精確靶向藥物、細胞運輸以及微創(chuàng)手術等[11]。

1.2 超聲波驅動微納米電機

超聲波具有易于控制及良好的生物相容性等特點，能夠保證微納米電機在黏度較高的液體環(huán)境中運動。2012年，Mallouk等[12]首次提出并實現(xiàn)了金屬納米線的超聲波驅動，采用模板輔助電沉積法制備了Au-Ru雙金屬納米線(長2 μm，直徑330 nm)，可以實現(xiàn)200 μm/s的軸向隨機運動；該小組還試驗性地探討了納米線電機材料不對稱性的附加影響，以及對聲學推進的形狀和材料依賴性的研究。2014年，García-Gradilla等[13]利用電沉積先后沉積金、鎳、金和金銀，并通過腐蝕掉部分銀的方式獲得了多孔納米棒，并在超聲波驅動和磁場的控制下實現(xiàn)對癌細胞的靶向藥物殺死。超聲波驅動的管式微型電機幾乎與納米線微型電機同時發(fā)展起來。2014年，Xu等[14]基于超聲波氣泡聚集效應，將其應用于管狀微電機的驅動，證明出超聲波能量與微電機的運動速度之間的相關性，驅動原理如圖4所示。

圖4 超聲波驅動管狀微電機 [14]

與磁場驅動方式相比，超聲波驅動方式更易于實現(xiàn)，不需要在微電機制造中加入磁性材料，這使得超聲波驅動比磁場驅動的應用范圍更加廣泛。但是，微電機的聲學驅動在實際應用中還存在一些不足，金屬納米線的快速運動只出現(xiàn)在某些特定位置，而超聲波驅動微型管狀電機驅動時間短，這些特性均不利于超聲波微電機的實際應用。

1.3 電驅動微納米電機

電驅動微納米電機的驅動主要是在溶液環(huán)境中實現(xiàn)的，必須通過施加外部電場操控微納米顆粒的運動。電驅動主要包括低頻交流電電滲透驅動、電鑷驅動和電解水驅動等不同的方式。Papadakis等[15]與Meyer等[16]以碳納米管為軸承做了更加深入的研究。2014年，F(xiàn)an等[17]將電操縱的辦法，成功應用于對金屬納米線的驅動，如圖5所示。該電機由一個直徑300 nm的納米線轉子和鐵磁軸承組成，通過施加外部電場，能夠驅動納米線轉子實現(xiàn)連續(xù)轉動；2015年，Sharma等[18]利用非對稱極化二極管和溶液中的離子電荷產(chǎn)生力矩，成功驅動微型顆粒。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

雖然電驅動微電機的研究已經(jīng)取得了一些成果，但是由于驅動方式為電場，較強的電場會導致溶液中其他物質發(fā)生電解反應，限制了電驅動方式的應用。

1.4 光驅動微納米電機

光能作為一種在自然界廣泛存在的能源，可用于實現(xiàn)微納米電機的遠程精確操縱。以光作為能源的驅動類型可分為以下三類：光鑷驅動、光熱驅動以及光催化驅動。

光鑷的驅動原理源自于光的力效應，1986年，美國貝爾實驗室的Ashkin等[19]率先利用光鑷實現(xiàn)了對微顆粒的操控。目前，光鑷已經(jīng)被廣泛應用于化學、物理和生物研究中。光鑷能夠實現(xiàn)單個或者多個微納米顆粒的同時操作。光鑷能夠實現(xiàn)微型顆粒在三維空間內(nèi)的自由移動[20]，并且已經(jīng)實現(xiàn)了對半導體納米線、聚乙烯微球、金納米線等微納米尺度物體的定向移動[21-25]。光鑷操控具有相當高的精度，在微納米級的顆粒控制，細胞級的DNA治療等方面具有重要的應用價值[26]。

(a)

(b)

(c)

光誘導的熱驅動具有較高的驅動效率，原理是基于光致顆粒表面溫度梯度差產(chǎn)生驅動力。Qian等[27]應用該種驅動機制實現(xiàn)了微米級雙面球電機的驅動，在光能的作用下，Au/PS Janus球的Au面受光照作用產(chǎn)生溫升，使該球表面形成溫度梯度，實現(xiàn)周圍聚乙烯熒光顆粒的不均勻分布，從而引發(fā)微球的熱流方向。2016年，Maggi等[28]將光熱驅動用于非對稱形狀的微米轉子，該微米電機通過光刻模板技術制造，外徑8 μm，轉速300 r/min。

光催化的致動原理為通過光照催化化學反應發(fā)生為微納米電機的運動提供能量。2015年，Guan等[29]利用TiO2紫外線照射下過氧化氫化學分解產(chǎn)生氫氣和氧氣的特性，實現(xiàn)了TiO2微管在過氧化氫溶液中的驅動，通過調節(jié)光照強度改變微管的運動速度；He等[30]基于近紅外光可控氣泡驅動的方式成功驅動了Janus粒子，在光照下Pt殼吸收光能產(chǎn)生溫升，進而形成溫度梯度，增強化學催化提高納米電機運行速度，無光源照射時Janus球納米電機隨即失去動力。Ren等[31]基于TiO2光解水產(chǎn)生氫氣的化學原理，以氫氣為動力成功驅動了TiO2/Au Janus球納米電機，增強光照強度后能夠明顯提升電機的運動速度。

由于光能的易于獲得性，且光驅動能夠保證微電機實現(xiàn)較高的運動精度，已經(jīng)成為驅動微納米粒子的常見方式。但光驅動同樣面臨著一些挑戰(zhàn)，光驅動需要一定的透明度，因此在活體內(nèi)的顆粒光驅動受到了限制，目前的光催化驅動的微納米顆粒集中在體外，光催化驅動的下一步發(fā)展應朝向生物方面，如精準醫(yī)學和體內(nèi)研究。

2 應用及研究趨勢

外場驅動的微電機可以在生物體內(nèi)工作，能夠克服化學驅動中化學物質對生物體的損害。磁、聲、電、光等均有較快的響應速度，因此，為外場驅動的微納米電機提供了在微加工、物質運輸、生物醫(yī)學及環(huán)境領域等方面廣泛應用的可能性。

(1)微納米加工領域。當前主要的微納米結構加工主要還是借助于光刻和金屬沉積方式來實現(xiàn)的，微加工設備都非常昂貴，嚴重制約了微納米加工技術的發(fā)展。目前，已有學者利用光鑷控制微球直寫納米圖案，螺旋微納米電機也成功應用于金螺旋微納米結構的加工[32]。因此，為微納米電機提供了一種低成本的微納米結構加工方式，未來可能會運用微納米電機實現(xiàn)更為復雜的微結構的加工。

(2)靶向藥物運輸。微電機能夠在體內(nèi)實現(xiàn)精準的藥物運輸，基于這種方式的藥物投送針對性強且效率高。近年，研究者報道了各類微電機在藥物運載方面的應用[33-35]。雖然目前借助于微電機的藥物運輸集中在體外，但是未來的發(fā)展方向應該是實現(xiàn)微電機在活體內(nèi)的藥物運輸，尤其是以磁場超聲波為驅動源的微電機，具有良好的生物相容性，可以提供將抗癌藥物轉移運輸至癌細胞處并成功殺死癌細胞的可能性。

(3)納米手術。在微納米電機的蓬勃發(fā)展背景下，人們已經(jīng)看到了微納米電機在納米精準手術方面的應用價值，Kagan等[36]研制的基于超聲驅動方式的微管狀電機，已經(jīng)成功應用于對生物組織的穿透。但是，目前微電機在手術方面的應用集中在細胞及組織方面，距離真正在生物體內(nèi)的應用還有一段距離，未來微電機的研究將會集中在如何將其應用于生物體體內(nèi)。

(4)環(huán)境領域。微納米電機在環(huán)境領域中的應用主要表現(xiàn)在水體凈化方面，用來吸附水體中的污染物，Srivastava等[37]將微米管狀電機成功應用于水體中硝基芳烴污染物的降解，對水體具有良好的凈化效果。

3 總結和展望

外場驅動為微納米電機提供了在生物體內(nèi)工作的可能，在微納米加工、物質運輸、生命科學以及環(huán)境治理等領域具有廣泛的應用前景。本文按照磁、聲、電、光等四種常見的外場驅動方式對微電機進行了綜述，對各類電機的制造方法、工作原理以及實際應用等方面進行了簡要介紹。雖然微電機在諸多領域均具有重要的應用價值，但是外場驅動微電機仍舊存在一些問題。微電機多采用重金屬制成，可能對生物細胞造成損傷，無法在生物領域實用化。當前微電機的研究仍處于初級階段，未來智能化的、多功能的微納米電機將會是研究的重點領域，隨著研究者對這一前沿領域的持續(xù)關注，微納米電機將會對各相關領域產(chǎn)生重大影響。