微納馬達(dá)是一類能夠?qū)⑼獠磕芰浚ㄈ绻饽、化學(xué)能、聲能等）轉(zhuǎn)化為自主運(yùn)動的功能微納系統(tǒng)，在環(huán)境治理、生物醫(yī)學(xué)和微納操作等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景。在各類驅(qū)動方式中，光驅(qū)動因其遠(yuǎn)程可控和清潔能源等特性而備受關(guān)注。然而，目前廣泛使用的光驅(qū)動微納馬達(dá)大多基于無機(jī)半導(dǎo)體材料（如TiO?、ZnO等），其寬帶隙特性導(dǎo)致主要吸收紫外光，而可見光利用效率低。
近年來，聚合物半導(dǎo)體材料因其能帶可調(diào)、合成靈活、成本低廉等優(yōu)勢，成為新一代光驅(qū)動微納馬達(dá)的理想候選材料。尤其是酚醛樹脂類材料，傳統(tǒng)上被用作絕緣體，近年來被發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異的光催化活性，為微納馬達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供了全新可能。
有鑒于此，哈爾濱工程大學(xué)劉天億副教授、施悅教授與復(fù)旦大學(xué)孔彪教授團(tuán)隊(duì)合作，在國際權(quán)威期刊《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表最新研究成果，首次將聚合物半導(dǎo)體酚醛樹脂應(yīng)用于微納馬達(dá)領(lǐng)域，成功開發(fā)出具有多通道響應(yīng)能力的光驅(qū)動納米馬達(dá)。該馬達(dá)不僅可在不同波長光照、光強(qiáng)和過氧化氫濃度條件下實(shí)現(xiàn)速度和方向的精準(zhǔn)調(diào)控，還可實(shí)現(xiàn)三維空間中的復(fù)雜運(yùn)動行為。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將其應(yīng)用于有害藻類米氏凱倫藻的高效滅活，展現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)TiO?納米顆粒的光動力抗菌性能。該研究系統(tǒng)揭示了材料分子結(jié)構(gòu)、光催化特性與運(yùn)動行為之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為智能微納馬達(dá)的設(shè)計提供了新思路與材料平臺。
圖1. 四類聚合物半導(dǎo)體酚醛樹脂合成策略及理化性質(zhì)表征
圖1展示了分別以間苯二酚、間氨基苯酚作為前驅(qū)體，在室溫或水熱條件下合成的四類酚醛樹脂納米顆粒的結(jié)構(gòu)與成分特征。掃描電鏡（SEM）圖像顯示出其具有球型結(jié)構(gòu)，直徑約為300-350 nm左右。其中，以間氨基苯酚作為前驅(qū)體，通過水熱法制備的酚醛樹脂納米顆粒具有苯并惡嗪-醌式交替結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高度共軛和π-堆疊特性，帶隙顯著降低至1.90 eV，可實(shí)現(xiàn)從紫外至可見光區(qū)（延伸至700 nm）的寬譜吸收。通過在其表面部分修飾金層，構(gòu)建了具有Janus不對稱結(jié)構(gòu)的納米馬達(dá)。
圖2. 微納馬達(dá)多通道響應(yīng)三維運(yùn)動控制及驅(qū)動機(jī)理探究
在光照和H?O?存在條件下，該馬達(dá)表現(xiàn)出優(yōu)異的自推進(jìn)性能，最高運(yùn)動速度可達(dá)29.78 μm/s，遠(yuǎn)超多數(shù)已報道的光驅(qū)動納米馬達(dá)。研究團(tuán)隊(duì)通過改變?nèi)肷涔獠ㄩL（紫外、藍(lán)光、綠光）和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了對馬達(dá)運(yùn)動速度的多通道調(diào)節(jié)；通過調(diào)控表面電荷性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)動方向的調(diào)節(jié)。結(jié)合有限元模擬，揭示了其運(yùn)動機(jī)制為光催化分解H?O?引發(fā)的自電泳驅(qū)動。
圖3. 微納馬達(dá)的多波長驅(qū)動及米氏凱倫藻滅活實(shí)驗(yàn)
更引人注目的是，該馬達(dá)可在強(qiáng)光照射下實(shí)現(xiàn)向上浮起的垂直運(yùn)動，擺脫重力沉降限制，顯著提高了其在液相環(huán)境中的操作性和利用率。研究進(jìn)一步評估了其在有害藻類滅活中的應(yīng)用性能。在可見光照射下，該納米馬達(dá)對米氏凱倫藻的滅活效率顯著高于傳統(tǒng)TiO?，這歸因于其優(yōu)越的可見光吸收、高效電荷分離以及運(yùn)動增強(qiáng)的質(zhì)量傳遞效應(yīng)。機(jī)理研究表明，光催化過程中產(chǎn)生的活性氧物種（ROS）以及馬達(dá)運(yùn)動引起的機(jī)械破壞共同導(dǎo)致了微生物細(xì)胞的失效。
該項(xiàng)研究不僅拓展了聚合物半導(dǎo)體在微納馬達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用，也展示了其在環(huán)境修復(fù)、生物醫(yī)療等多方面的潛在價值，為下一代智能微納驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要借鑒。
論文信息：
Molecular-Level Design of Polymeric Semiconductor Nanomotors with Multichannel Sensitive 3D Motion for Microorganism Inactivation
Tianyi Liu*, Huannuo Tao, Qingdong Chai, Hang Shi, Ziqi Zheng, Zhenning Sun, Guoxing Zhang, Xiangjun Wang, Jixin Zhou, Abuduheiremu Awati, Qirui Liang, Yanjun He, Dazhang Zhu, Mingxian Liu, Yue Shi*, Kang Liang, Jian Liu, Biao Kong*
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202508705
https://doi.org/10.1002/anie.202508705
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