納米馬達(dá)的驅(qū)動機(jī)理研究進(jìn)展＊

朱芳艷，張?zhí)镏?/p>

上海大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所，上海 200072

從自然演化、生命活動，到人類的生產(chǎn)生活，都離不開驅(qū)動，即通過一定作用方式使得物質(zhì)產(chǎn)生定向運動。驅(qū)動過程中，往往伴隨著能量的傳遞和轉(zhuǎn)換。將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器稱為馬達(dá)。自然界中有形態(tài)功能各異的精密生物馬達(dá)，為生命活動提供了基礎(chǔ)保障。宏觀世界里，人類也發(fā)明了多種馬達(dá)，在機(jī)械、航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。當(dāng)人類認(rèn)識世界的視角以及制造工藝的精度逐漸進(jìn)入納米尺度，開發(fā)類似生物馬達(dá)的人工納米馬達(dá)，已成為學(xué)術(shù)界和工程界共同追逐的夢想。

早在1959年，著名物理學(xué)家費曼（Feynman）在一場題為“底部還有很大空間”（There’s plenty of room at the bottom）的演講中就首次提出了納米科技的概念，他認(rèn)為“如果人類能夠在原子或分子的尺度上來操縱物質(zhì)，制備裝置，我們將有很多激動人心的新發(fā)現(xiàn)”。近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人造馬達(dá)已經(jīng)實現(xiàn)從宏觀尺度到納米尺度的重要突破[1]。1983年，索維奇（Sauvage）等人[2]將兩個環(huán)狀分子連成鏈狀，并將其命名為索烴，邁出了通往分子機(jī)器的第一步。在之后的研究中，他們發(fā)現(xiàn)索烴中一個環(huán)分子接收能量后可以繞著另一個環(huán)旋轉(zhuǎn)，這是非生物分子機(jī)器的雛形。隨后在1991年，斯托達(dá)特（Stoddart）等人[3]以極高的產(chǎn)率成功制備了輪烷，加熱時環(huán)分子可以繞鏈轉(zhuǎn)動。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊還成功研制了分子電梯、分子肌肉和分子芯片等。費林加（Feringa）等人[4]則在1999年首次成功制備了一種在光作用下能夠持續(xù)朝一個方向轉(zhuǎn)動的分子馬達(dá)。為了表彰這三位科學(xué)家為分子馬達(dá)作出的卓越貢獻(xiàn)，他們被授予了2016年諾貝爾化學(xué)獎，這無疑是對這個新興領(lǐng)域的極大鼓舞，也預(yù)示著機(jī)器微型化的發(fā)展邁出了極重要的一步[5]。

當(dāng)今世界正處于新科技革命的前夜，納米科技作為發(fā)展最快的前沿領(lǐng)域之一，必將涌現(xiàn)出大量革命性成果影響和改變?nèi)祟惖纳?。郭萬林等人[6]提出的水伏效應(yīng)（hydrovoltaics）可以利用納米功能材料從水中捕獲電能從而實現(xiàn)綠色發(fā)電；希爾斯（Hills）等人[7]制備了一個由碳納米管構(gòu)成的16位微處理器（RV16X-NANO），它可完全替代同類型的商用處理器。我國工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诩{米芯片的應(yīng)用，也正逐步追上世界前列，比如中興通訊在5G無線基站的主控芯片上已經(jīng)實現(xiàn)了自研7 nm芯片的市場商用。作為目前納米科技領(lǐng)域重點關(guān)注的研究對象之一，納米馬達(dá)在諸多領(lǐng)域如藥物輸運[8-10]、微創(chuàng)手術(shù)[11-13]、環(huán)境治理[14-17]、傳感監(jiān)測[18-21]等等都有著廣闊的應(yīng)用前景，其結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動原理、運動控制、制備方法等方面已經(jīng)取得了重要進(jìn)展[22]。根據(jù)納米馬達(dá)的驅(qū)動機(jī)制不同，可以將其分為物理場驅(qū)動、化學(xué)驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動等。在實際應(yīng)用中，研究人員會依據(jù)各種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點選擇合適的驅(qū)動方式或混合驅(qū)動方式，以適應(yīng)不同場景的需求。本文主要介紹幾類典型納米馬達(dá)的驅(qū)動機(jī)理，并結(jié)合目前納米馬達(dá)的研究現(xiàn)狀，對其未來的發(fā)展前景進(jìn)行初步展望。

1 物理場驅(qū)動

1.1 磁場驅(qū)動

自然界中，細(xì)菌通過鞭毛快速轉(zhuǎn)動或擺動可以推動自身在低雷諾數(shù)流體中快速游動?？茖W(xué)家們從中獲得靈感，研制出了各式各樣的磁場驅(qū)動納米馬達(dá)。

圖1 磁場驅(qū)動納米馬達(dá)：（a）磁場驅(qū)動螺旋形納米馬達(dá)[23]；（b）表面作用驅(qū)動微米馬達(dá)[24]；（c）柔性磁場驅(qū)動納米線型納米馬達(dá)[25]

1.2 光場驅(qū)動

光能是一種易于控制并且高效的清潔能源，它本質(zhì)上是具有不同波長的電磁波。目前最常見的光驅(qū)動納米馬達(dá)是利用紫外線或近紅外光進(jìn)行驅(qū)動的。

森（Sen）等人[26]發(fā)現(xiàn)去離子溶液中的氯化銀顆粒在紫外光照射下，小顆粒會向大顆粒周圍聚集。如果在溶液中添加二氧化硅顆粒，該顆粒在紫外光照射后會聚集在氯化銀附近（圖2（a））。董任峰等人[27]進(jìn)一步提出了一種不需要添加外部燃料的納米馬達(dá)，由金和二氧化鈦組成陰陽球結(jié)構(gòu)（圖2（b））。在紫外光照射下，馬達(dá)在水環(huán)境中每秒可最多運動25個身長，馬達(dá)的運動速度可通過調(diào)整紫外線光強進(jìn)行調(diào)控。在之前研究的基礎(chǔ)上，賀強等人[28]通過自組裝技術(shù)制備了一種錐管狀納米馬達(dá)（圖2（c）），其在近紅外光驅(qū)動下的平均運動速度可高達(dá)160 μm/s。研究人員在實驗中可以遠(yuǎn)程控制納米馬達(dá)的啟停，并進(jìn)一步在細(xì)菌環(huán)境中實現(xiàn)了其定向運動，這表明該納米馬達(dá)具有很好的生物兼容性。該馬達(dá)的驅(qū)動機(jī)理是由于金粒子對近紅外光有很強的吸收能力，使馬達(dá)周圍環(huán)境溫度迅速升高，產(chǎn)生明顯的溫度梯度，從而推動馬達(dá)移動。并且，由于溫度的迅速升高可以在馬達(dá)表面形成大量蒸汽，極大地減小了馬達(dá)與周圍環(huán)境的摩擦力，增強了驅(qū)動效果。

圖2 光場驅(qū)動納米馬達(dá)：（a）紫外線驅(qū)動二氧化硅顆粒（藍(lán)色）向氯化銀顆粒（紅色）聚集[26]；（b）紫外線驅(qū)動金/二氧化鈦陰陽球結(jié)構(gòu)向二氧化鈦那一端移動[27]；（c）近紅外光控制錐管狀納米馬達(dá)的啟停[28]

1.3 聲場驅(qū)動

超聲波由于其良好的生物兼容性，在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時，作為高頻聲波，超聲波具有很強的穿透力，常被認(rèn)為是納米馬達(dá)理想的驅(qū)動方式之一。

馬洛克（Mallouk）等人[29]通過電沉積法制備出的金屬納米線納米馬達(dá)（圖3（a）），在超聲波場的作用下，擁有高達(dá)200 μm/s的運動速度。線型納米馬達(dá)在垂直超聲波場的作用下會在金屬線的凹形端產(chǎn)生不對稱的壓力梯度，因此可以在液體中快速移動。特別有趣的是，當(dāng)外部超聲波的頻率足夠大時，溶液環(huán)境中的馬達(dá)甚至?xí)a(chǎn)生自組裝現(xiàn)象，如自動排列成直線?？紤]到全氟化碳溶液有較好的生物穩(wěn)定性和生物相容性，卡根（Kagan）等人[30]將其置于卷曲的管狀納米馬達(dá)內(nèi)，如圖3（b）所示。全氟化碳溶液在超聲波環(huán)境里劇烈蒸發(fā)，產(chǎn)生巨大推力，推動馬達(dá)以6.3 m/s的速度向前運動。類似地，約瑟夫（Joseph）等人[31]利用超聲波驅(qū)動氣泡產(chǎn)生聚集，聚集的氣泡可以在極短的響應(yīng)時間內(nèi)（＜0.1 s）驅(qū)動管狀納米馬達(dá)，如圖3（c）所示。

圖3 超聲波驅(qū)動納米馬達(dá)：（a）超聲波驅(qū)動納米棒[29]；（b）超聲波驅(qū)動包覆在管內(nèi)的全氟化碳快速前進(jìn)[30]；（c）超聲波驅(qū)動管狀納米馬達(dá)[31]

1.4 電場驅(qū)動

在納米尺度下，電能是相對比較容易在實驗中提供的外部能源，所以早期的納米馬達(dá)有不少是用電場驅(qū)動的。

1995年美國橡樹嶺國家實驗室[32]利用分子動力學(xué)方法模擬了碳納米管在電場驅(qū)動下的轉(zhuǎn)動。該納米馬達(dá)由雙壁碳納米管構(gòu)成，在作為轉(zhuǎn)子的內(nèi)管兩端分別施加正負(fù)電荷，在作為定子的外管上施加徑向電場后，內(nèi)管將會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。2003年賽特爾（Zettl）等人[33]成功制備了電場驅(qū)動的納米馬達(dá)（圖4（a））。它以碳納米管作為軸承，碳管的兩端與電極相連，并且在碳管的表面附著金屬塊以便更好地感應(yīng)電場。當(dāng)電極之間接通電流后，金屬塊可以繞碳管軸承運動。雖然通過控制外電場電極可以驅(qū)動外管和附著的金屬塊轉(zhuǎn)動，但是方向隨機(jī)。之后的研究進(jìn)一步表明，在碳納米管兩側(cè)施加電場可以驅(qū)動外管壁上的銦原子沿著碳管運動，完成微粒的輸運[34]。利用電場在碳納米管內(nèi)輸運水也引起了廣泛的研究興趣。盡管水分子整體上不帶電，但由于水分子的偶極矩角度分布、相互作用不對稱，碳管中的水分子在電場作用下同樣可在管內(nèi)定向運動。在梯度電場作用下，碳管中的水分子輸運速度更快，輸運效率更高[35-36]。

1.5 熱場驅(qū)動

在納米尺度上，溫度梯度場也常被用于驅(qū)動。2006年，瓦爾特（Walther）等人[37]通過分子動力學(xué)模擬的方法，首次揭示了固固界面上的熱泳現(xiàn)象。他們在一根碳納米管的兩端分別設(shè)置一個高溫區(qū)域和一個低溫區(qū)域，一定時間后在碳管上可以形成穩(wěn)定的溫度梯度。在溫度梯度作用下，放置在碳管內(nèi)部的金納米顆粒會從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域運動，運動速度可達(dá)10 m/s。2008年，巴雷羅（Barreiro）等人[38]在實驗中成功設(shè)計并實現(xiàn)了利用溫度梯度驅(qū)動的納米馬達(dá)（圖4（b）），其馬達(dá)結(jié)構(gòu)與賽特爾（Zettl）等人[33]的馬達(dá)類似。碳納米管在兩端通電后，自身發(fā)熱，而連接碳管兩端的電極具有散熱作用，因此在碳納米管中段與兩極之間會形成方向相反的溫度梯度。嵌在最外層的較短碳管上的金屬塊會向更近一側(cè)的電極靠近，并且運動方向與電流方向無關(guān)，僅由溫度梯度方向決定。大量的研究表明，溫度梯度場還可以驅(qū)動水液滴[39]、黑磷片[40]或石墨烯褶皺[41]等沿著溫度梯度方向從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域運動。

2 化學(xué)驅(qū)動

2.1 化學(xué)場驅(qū)動

生物分子馬達(dá)廣泛存在生物體內(nèi)，如肌球蛋白、氨基酸分子等，它們可以趨向某種特定的化學(xué)環(huán)境。早在1881年恩格爾曼（Engelmann）研究細(xì)菌光合作用時，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌傾向于向氧氣含量高的區(qū)域游動[42]。這種生物對外界環(huán)境中的化學(xué)場所產(chǎn)生的趨向性稱為趨化性。受此啟發(fā)，科學(xué)家們基于趨化性設(shè)計了各種類型的化學(xué)場驅(qū)動馬達(dá)。2007年森（Sen）等人[43]在實驗中首次觀察到2 μm長的金/鉑納米棒會自發(fā)向過氧化氫濃度更高的方向移動（圖5（a）），并成功制備了化學(xué)場驅(qū)動的納米馬達(dá)。

②要從制度上保證水土保持工作正常開展，提高水土保持方案設(shè)計科學(xué)性，杜絕占用或挪用水土保持經(jīng)費的情況發(fā)生，使施工單位保質(zhì)保量完成水土保持設(shè)施建設(shè)。

圖4 （a）電場驅(qū)動納米馬達(dá)完成銦原子的輸運[33-34]；（b）熱場驅(qū)動納米馬達(dá)[38]

圖5 （a）生物驅(qū)動納米馬達(dá)[43]；（b）氣泡驅(qū)動納米馬達(dá)[44]；（c）自電泳驅(qū)動納米馬達(dá)[45]

2.2 反應(yīng)物驅(qū)動

除了利用趨化性構(gòu)建納米馬達(dá)外，還可以通過馬達(dá)內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)為馬達(dá)提供動力。懷特賽德（Whitesides）等人[46]在2002年成功制備了世界上第一個通過化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動的人造微米馬達(dá)。他們以過氧化氫為燃料，在鉑的催化作用下，燃料發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因而在環(huán)境中產(chǎn)生大量微氣泡。這些氣泡在脫離過程中產(chǎn)生的反作用力會推動馬達(dá)快速移動，故這種化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動又稱為氣泡驅(qū)動[44]（圖5（b））。添加催化劑、調(diào)整馬達(dá)材料或設(shè)計馬達(dá)的形狀都可以顯著提高催化效率，達(dá)到優(yōu)化馬達(dá)運動性能的目的。

除了利用化學(xué)反應(yīng)的生成物推動產(chǎn)生動力外，還可通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物在周圍溶液環(huán)境中形成局部梯度場，如電場梯度、濃度梯度、溫度梯度等，來推動馬達(dá)產(chǎn)生定向運動[47]。2004年帕克斯頓（Paxton）等人[45]以多孔氧化鋁過濾膜為模板，通過模板電化學(xué)沉積的方法成功制備了金-鉑雙金屬納米線型馬達(dá)（圖5（c））。在過氧化氫溶液中，納米馬達(dá)中金和鉑的兩端分別發(fā)生還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)，使馬達(dá)之間形成類電池結(jié)構(gòu)。在這個電池的局部電場作用下，納米馬達(dá)會向鉑端運動。這類納米馬達(dá)一般是利用化學(xué)反應(yīng)后不對稱分布的產(chǎn)物實現(xiàn)驅(qū)動。當(dāng)燃料耗盡后，馬達(dá)無法繼續(xù)運動，這限制了馬達(dá)的運動時間，因此這類馬達(dá)除了需要考慮生物相容性，還需要考慮其工作壽命。

3 機(jī)械驅(qū)動

構(gòu)筑具有力學(xué)梯度（如曲率梯度、彈性梯度、應(yīng)變梯度、結(jié)構(gòu)梯度、彎曲梯度等）的基底，同樣可以對放置其上的物體實現(xiàn)定向驅(qū)動（圖6）。

圖6 機(jī)械驅(qū)動(mechanotaxis)：(a)、(b)曲率梯度驅(qū)動(curvotaxis)[48-49]；(c)剛度梯度驅(qū)動(durotaxis)[50]；(d)應(yīng)變梯度驅(qū)動(tensotaxis)[51]；(e)彎曲梯度驅(qū)動 (flexotaxis)[52]；(f)結(jié)構(gòu)梯度驅(qū)動(angustotaxis)[53]

3.1 曲率梯度驅(qū)動

曲率驅(qū)動的概念最早在1994年由墨西哥物理學(xué)家明戈·阿爾庫貝利提出。殷雅俊[54]為“空間彎曲誘發(fā)驅(qū)動力”這一命題提供了理論基礎(chǔ)。鄭泉水團(tuán)隊[48,55]在實驗中發(fā)現(xiàn)黏附在圓錐管外表面上的液滴能沿著母線自發(fā)向粗端移動（圖6（a）），同時通過分子動力學(xué)模擬確認(rèn)了這種自發(fā)的定向運動方向與圓錐面的親疏水性質(zhì)無關(guān)，并且液滴的輸運速度由曲率梯度決定。張?zhí)镏覉F(tuán)隊[49]則通過分子動力學(xué)方法設(shè)計了一種基于石墨烯的納尺度曲率驅(qū)動裝置（圖6（b）），該裝置由一片石墨烯基底和一片吸附于基底上的較小的石墨烯滑片組成?；咨系那侍荻瓤墒够着c滑片之間形成范德華勢能梯度，從而推動石墨烯滑片發(fā)生定向運動。

3.2 剛度梯度驅(qū)動

剛度引發(fā)的定向運動最初是在觀察生物細(xì)胞的運動時發(fā)現(xiàn)的。2016年，張?zhí)镏覉F(tuán)隊[50,56]利用分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)納米尺度上非生物物質(zhì)也具有剛度趨向性。他們的計算表明，在具有剛度梯度的石墨烯基底上，石墨烯滑片會從剛度小的區(qū)域向剛度大的區(qū)域自發(fā)定向運動（圖6（c））。這是由于在剛度較大區(qū)域，基底原子振動較弱，從而其與滑片間的范德華勢能較小。當(dāng)滑片與基底接觸時，總是趨向于往能量最低的方向運動，因此會滑向剛度較大的區(qū)域。剛度梯度驅(qū)動推動了利用材料內(nèi)稟屬性實現(xiàn)納尺度驅(qū)動的研究。

3.3 應(yīng)變梯度驅(qū)動

2014年陳少華團(tuán)隊結(jié)合實驗[51]、理論分析[57]及分子動力學(xué)模擬方法[58]系統(tǒng)研究了基底表面應(yīng)變梯度場對放置在基底上宏觀、微觀物體驅(qū)動行為的影響，提出了一種在宏觀尺度和微納尺度下均可應(yīng)用的基于應(yīng)變梯度的驅(qū)動機(jī)理。如圖6（d）所示，宏觀模型實驗證實了乳膠泡在黏彈性基底上的彈性應(yīng)變梯度場的驅(qū)動下會發(fā)生定向滾動。分子動力學(xué)的模擬則進(jìn)一步證實了納米顆粒同樣可以在應(yīng)變梯度場的驅(qū)動下發(fā)生定向運動，即物體會由大應(yīng)變處向小應(yīng)變處運動，并且驅(qū)動力由基底應(yīng)變梯度場的大小決定。倪勇團(tuán)隊[59]利用分子動力學(xué)模擬和理論分析，表明水滴也可在應(yīng)變梯度的驅(qū)動下產(chǎn)生定向運動。

3.4 彎曲梯度驅(qū)動

最近，張?zhí)镏覉F(tuán)隊[52]提出了彎曲梯度驅(qū)動原理。他們在分子動力學(xué)模擬中觀察到，石墨烯滑片如果放置在發(fā)生彎曲變形的金屬（銀）懸臂梁上，會發(fā)生定向運動。如圖6（e）所示：在懸臂梁的受壓側(cè)，石墨烯滑片會向固定端運動；而在梁的受拉側(cè)，石墨烯滑片則向自由端運動。換言之，石墨烯滑片能感知到基底的彎曲梯度。其物理機(jī)制在于，彎曲梯度導(dǎo)致納米梁表面形成原子密度梯度，而原子密度越大的地方，滑片與基底之間的范德華勢能越低，從而為滑片提供了驅(qū)動力。石墨烯片在彎曲梁上呈現(xiàn)出的機(jī)械感知能力，使其有望作為傳感元件在未來智能納米器件領(lǐng)域得到應(yīng)用。

3.5 結(jié)構(gòu)梯度驅(qū)動

除了改變基底的力學(xué)特性或產(chǎn)生變形，也可以通過構(gòu)造特殊的基底結(jié)構(gòu)實現(xiàn)驅(qū)動。張?zhí)镏覉F(tuán)隊[53]利用分子動力學(xué)模擬計算，表明放置在楔形金屬板之間的碳納米管會自發(fā)地向狹窄端運動（圖6（f））。碳管的運動還可以有效推動在前進(jìn)路徑上的其他物體，如富勒烯球、石墨烯片或固體顆粒等，因此可用于清潔楔形納米通道。理論分析揭示，當(dāng)碳納米管處于楔形通道的窄端時，它與通道之間的接觸面積更大，因此系統(tǒng)勢能更低，這為碳管的自發(fā)運動提供了驅(qū)動力。

4 結(jié)論與展望

納米馬達(dá)根據(jù)其驅(qū)動機(jī)理的不同可以分為不同類型，其本質(zhì)總是將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能從而實現(xiàn)定向運動。如何設(shè)計出能夠滿足實際需求的人造納米馬達(dá)一直是納米科技的前沿?zé)狳c，然而在面向?qū)嶋H應(yīng)用時，納米馬達(dá)仍具有一些局限性需要在未來的研究中進(jìn)一步攻克，其中包括：

（1）現(xiàn)有的人造納米馬達(dá)雖然可以通過控制外場、更換化學(xué)反應(yīng)催化劑等方法控制馬達(dá)的運動方向和速率，但是對運動的控制不夠精準(zhǔn)，因此需進(jìn)一步探索新型可控納米驅(qū)動原理。

（2）無論外場驅(qū)動還是機(jī)械驅(qū)動，都需要給被驅(qū)動物提供一定的能量梯度實現(xiàn)定向運動，而單一器件無法完成較遠(yuǎn)距離的物質(zhì)輸運，因此需要構(gòu)筑新的可串聯(lián)驅(qū)動的設(shè)計原理，實現(xiàn)長程輸運。

（3）化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動的人造納米馬達(dá)大多依賴化學(xué)反應(yīng)時間，運動維持時間短，并且部分納米馬達(dá)所需的燃料（如過氧化氫溶液）生物相容性較差，極大地限制了納米馬達(dá)在生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，因此需要提高納米馬達(dá)的生物相容性。

（4）實際應(yīng)用中納米馬達(dá)所處的環(huán)境總是復(fù)雜多變的，因此發(fā)展能及時對環(huán)境變化作出判斷并隨之調(diào)整其行為的智能納米馬達(dá)，也是今后值得深入研究的重要課題。

納米科技飛速發(fā)展，納米機(jī)械（機(jī)電）系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊，人類對納米馬達(dá)的需求日益增強，其中蘊含著巨大的市場潛力，同時更面臨嚴(yán)峻的科學(xué)前沿挑戰(zhàn)。納米驅(qū)動原理的復(fù)雜性、多樣性為物理、化學(xué)、力學(xué)、材料、機(jī)械、能源等多學(xué)科交融、多領(lǐng)域協(xié)作提供了重大契機(jī)，也為培育未來技術(shù)、培養(yǎng)創(chuàng)新人才、取得原始創(chuàng)新提供了重要機(jī)遇。