一種基于TiO2雙晶相微米粒子的光控微米馬達及其制備和控制的制作方法

本發明屬于微納米馬達技術領域，涉及一種基于tio2雙晶相微米粒子的光控微米馬達。

背景技術：

微納米馬達是微納米機器中重要組成部分，因為它們獨特的運動特性，可能在液體介質中完成貨物的裝載、運輸和釋放功能，這樣可以完成各種復雜的任務，例如：藥物運輸、蛋白質和細胞的分離、微手術和環境治理等等(chem.rev.2014,114,6285；acsappliedmaterials&interfaces2014,6,9897；nanoletter2007,5；nanoscale2013,5(11):4696)。自驅動微納米馬達驅動的本質在于構建一個非對稱場，通過非對稱場來打破其受力平衡，使微納米馬達產生運動。目前微納米馬達的設計思路主要分為兩類，一類是通過將微納米馬達本身構建為非對稱的形貌或結構(small2015,11,2564；adv.funct.mater.2015,25(39):6173)，另一類是通過施加非對稱外場，從而實現局部非對稱化學或物理場的建立(advmater2017,29,doi:10.1002/adma.201603374.)，以達到驅動的目的。因此，現有的微納米馬達要么具有復雜的非對稱結構(如雙面神結構、多層管狀結構或罐狀結構等)、昂貴的材料組成或復雜的制備過程，要么需要特定的復雜外場，這嚴重阻礙了微納米馬達的大面積制備和應用。所以，制備出具有運動可控，且簡單結構、無需特定復雜外場驅動的微米馬達是本領域亟待解決的問題之一。

技術實現要素：

本發明目的在于提供一種運動可控，且簡單結構、無需特定復雜外場驅動的微米馬達，且易于制備，制備成本低。

為達到上述目的，采用技術方案如下：

基于tio2雙晶相微米粒子的光控微米馬達，外形呈0.7-1.5μm球狀；其物相組成包含銳鈦礦和金紅石兩種晶相，兩種晶相呈非均勻分布，晶粒大小在63-645nm范圍內；將tio2雙晶相微米粒子分散于雙氧水溶液中，光照條件下光生電子和空穴能在異質結發生分離，在銳鈦礦和金紅石兩種晶粒表面發生非對稱氧化還原反應，實現粒子的自驅動。

上述光控微米馬達的制備方法，包括以下步驟：

將nacl溶液、乙醇和鈦酸四丁酯混合，攪拌10-30min后靜置22-26h，收集白色沉淀；

將含有白色沉淀的溶液離心后去掉上清液，經過烘干后得到白色粉末，將白色粉末在600-700℃條件下煅燒90-150min，即得到基于tio2雙晶相微米粒子的光控微米馬達。

按上述方案，nacl溶液為0.1mmnacl水溶液，其與乙醇和鈦酸四丁酯按體積比為1:250:4.25。

上述光控微米馬達的控制方法，包括以下步驟：

將tio2雙晶相微米粒子分散于雙氧水溶液中，使用光源照射在tio2雙晶相微米粒子上，光照條件下光生電子和空穴能在異質結發生分離，在銳鈦礦和金紅石兩種晶粒表面發生非對稱氧化還原反應，實現粒子的自驅動。

按上述方案，通過光源強度或雙氧水溶液濃度的控制，實現tio2雙晶相球形微米粒子運動速率的控制。

按上述方案，所述光源為波長在400nm以下的光。

按上述方案，所述光源與水平面法線的夾角為θ，且0°≤θ<90°。

按上述方案，所述光源輸出功率p為0.06-1w。

按上述方案，所述雙氧水溶液濃度為0.1wt％以上。

本發明運動機理特征在于兩種不同晶相匹配的能帶結構，在光照下，光生電子-空穴對在兩相異質結發生分離，光生電子和空穴分別富集在兩種晶相中，分別參與到在粒子表面發生的光催化分解h2o2的氧化還原反應。由于這兩種晶相在粒子表面分布不均，光催化氧化還原反應表現出非對稱性，從而在粒子兩側形成h⁺濃度梯度，由此產生的局部電場驅動原本帶電的微米粒子產生自電泳運動。

本發明的有益效果是：

得到了一種基于tio2雙晶相微米粒子的光控微米馬達，該微米馬達具有結構簡單，易于制備，制備成本低的優點。

本發明可以根據銳鈦礦和金紅石相不同的禁帶寬度，使電子和空穴分別在各自富集的表面發生氧化還原反應，最終實現自電泳運動。

附圖說明

圖1：實施例1所得二氧化鈦微米粒子的掃描電鏡圖和xrd衍射圖。

圖2：實施例1所得二氧化鈦微米粒子的透射電鏡圖。

圖3：實施例1所得二氧化鈦粒子2s內的運動軌跡圖。

圖4：光照角度示意圖。

圖5：實施例1所得二氧化鈦微米粒子在不同雙氧水濃度作用下的平均運動速率變化。

圖6：實施例1所得二氧化鈦微米粒子在不同紫外光照強度作用下平均運動速率的變化。

圖7：實施例1所得相同二氧化鈦微米粒子在連續的打光和停光下的運動軌跡。

圖8：打光和停光期間的平均速度分析。

圖9：打光和停光情況下粒子的均方位移分析。

具體實施方式

以下實施例進一步闡釋本發明的技術方案，但不作為對本發明保護范圍的限制。

實施例1

雙晶相球形二氧化鈦微米粒子的制備方法：

將0.1mmnacl溶液、乙醇和鈦酸四丁酯按先后順序以體積比1:250:4.25的比例混合，攪拌18min后靜置24h，收集白色沉淀，此白色沉淀為未結晶的tio2微球；

將未結晶二氧化鈦微球粉末置于馬弗爐中，煅燒溫度設定為650℃，煅燒時間設定為120min，即可得到同時含有銳鈦礦和金紅石相的雙晶相二氧化鈦微米粒子。

實施例2

雙晶相球形二氧化鈦微米粒子的制備方法：

將0.1mmnacl溶液、乙醇和鈦酸四丁酯按先后順序以體積比1:250:4.25的比例混合，攪拌10min后靜置26h，收集白色沉淀，此白色沉淀為未結晶的tio2微球；

將未結晶二氧化鈦微球粉末置于馬弗爐中，煅燒溫度設定為600℃，煅燒時間設定為150min，即可得到同時含有銳鈦礦和金紅石相的雙晶相二氧化鈦微米粒子。

實施例3

雙晶相球形二氧化鈦微米粒子的制備方法：

將0.1mmnacl溶液、乙醇和鈦酸四丁酯按先后順序以體積比1:250:4.25的比例混合，攪拌20min后靜置24h，收集白色沉淀，此白色沉淀為未結晶的tio2微球；

將未結晶二氧化鈦微球粉末置于馬弗爐中，煅燒溫度設定為650℃，煅燒時間設定為120min，即可得到同時含有銳鈦礦和金紅石相的雙晶相二氧化鈦微米粒子。

實施例4

雙晶相球形二氧化鈦微米粒子的制備方法：

將0.1mmnacl溶液、乙醇和鈦酸四丁酯按先后順序以體積比1:250:4.25的比例混合，攪拌10min后靜置22h，收集白色沉淀，此白色沉淀為未結晶的tio2微球；

將未結晶二氧化鈦微球粉末置于馬弗爐中，煅燒溫度設定為700℃，煅燒時間設定為90min，即可得到同時含有銳鈦礦和金紅石相的雙晶相二氧化鈦微米粒子。

利用掃描電子顯微鏡(sem,s-4800,hitachico.,ltd.,japan)和x射線衍射分析儀(xrdbrukerd8advancex-raydiffractometer)對實施例1所得二氧化鈦微米粒子進行顯微形貌表征和物相表征，結果如圖1所示。可以觀察到該粒子是由銳鈦礦和金紅石兩種晶相組成，且粒徑在1μm左右，經測量得晶粒范圍在63-645nm。

利用透射電子顯微鏡(tem,jem2100f/jem2100f)對實施例1所得二氧化鈦微米粒子進行成分分布表征，結果如圖2所示。可以看出分界線的一邊(a、b、c、d)明顯是銳鈦礦含量占優，而另外一邊(e、f、g、h)是銳鈦礦含量占優，充分說明該粒子是由兩種晶相組成，且這兩種晶相呈非對稱分布。

本發明基于tio2雙晶相微米粒子的光控微米馬達，其運動控制方法如下：

將實施例1所得二氧化鈦微米粒子分散至一定濃度的雙氧水燃料中(0.1-5wt.％)，搭建光照平臺，設置光與水平面法線的夾角為θ(0°≤θ<90°)，設定光源輸出功率為p(0.06-1w)，即可得到二氧化鈦微米粒子的隨機運動。

標準運動實驗是在1wt.％雙氧水、1w的輸出功率條件下進行，當逐漸變換入射光的角度θ，利用倒置熒光顯微鏡(leicadmi3000m)對粒子的運動進行表征后，經分析處理得粒子軌跡圖如圖3所示。光照角度示意圖如圖4所示。

燃料濃度對雙晶相二氧化鈦微米粒子的運動速率影響：

取實施例1所得雙晶相二氧化鈦微米粒子分別分散在不同濃度的雙氧水溶液中，采用強度為1w/cm²的紫外光照射粒子，得到粒子在雙氧水溶液濃度為0-5wt％時的平均速率，其平均運動速率隨著燃料濃度的增加而增大，如圖5所示。

光照強度對雙晶相二氧化鈦微米粒子的運動速率影響：

取實施例1所得二氧化鈦微米粒子分散在一定濃度(1wt.％)的雙氧水溶液中，采用不同強度的紫外光照射粒子團聚體，得到粒子群體在紫外光強度為0-1w/cm²時群體的平均速率，其平均運動速率隨著光照強度的增大而增大，見圖6所示。

調整紫外光源與水平面的夾角θ＝0°，使用強度為1w/cm²的紫外光照射實施例1所得雙晶相二氧化鈦微米粒子，雙氧水溶液濃度為1wt.％，循環控制紫外燈的開關。

取實施例1所得二氧化鈦微米粒子。利用倒置熒光顯微鏡記錄下相同兩個粒子的運動軌跡，如圖7所示。在循環開關紫外光的過程中，當沒有光照時，粒子僅僅表現出簡單的布朗運動，而當有光照時，粒子立即表現出復雜的隨機運動。這充分說明了該微米馬達光響應程度之快，體現了光控的優勢。對其速度分析如圖8所示，光照的瞬間，粒子的瞬時平均運動速度立即從3.5μm/s增加到11μm/s，再次體現出光響應之快，也表現了這種微米馬達很強的運動能力。均方位移分析如圖9所示。從圖中可以清楚的看出在光照下粒子運動的程度遠遠大于簡單的布朗運動，說明了光在粒子做復雜隨機運動過程中起決定性作用。

本發明涉及到的雙晶相球形微米粒子、光源搭建方法、光照強度、以及燃料濃度等參數、區間取值都能實現本發明，在此不一一列舉實施例。