南洋理工大学：微型智能机搭载3D打印“航母”修复环境

供稿人:张曼玉，田小永

由于自驱动微米/纳米级电机在药物传递，细胞分离，传感及环境修复方面的潜在应用而被广泛关注。随着全球环境的不断恶化，环境污染的监测与治理越来越受到人们重视。以往在重金属离子的检测和去除，油滴的吸附以及有机污染物的降解等方面的应用证实了小体积微型电机的作用。微型自驱动电机的尺寸往往在纳米或亚微米级别这也限制了它们的行驶距离在几毫米或几十毫米，然而实际的环境应用则需要数十米的行驶距离。

硝基芳香化合物比如二硝基甲苯（DNT）、三硝基苯酚（TNP）等常见的爆炸物成分如果泄露将会造成严重的水污染，以往研究证明TiO2/Pt 和ZnO/ZnO2/Pt 在紫外线的照射下形成的羟基自由基，过氧自由基及电子具有很强的氧化还原作用，对DNT、TNT、TNP具有很好的光催化降解作用，此外由于微型驱动器的快速运动增强溶液中的物质传递进而获得更高的降解速率。由于微型驱动器外形尺寸和速度限制了他们在河流海洋湖泊等具体环境中的应用。在实际大环境的应用能实现快速持久运动的毫米甚至于厘米级的马达很合适。而马戈朗尼效应驱动的大型电机具有快速长距离运动的优势，是实际环境中执行环境修复任务的良好选择。

图1 3D打印发动机模型

南洋理工大学的化学生物实验室及武汉理工大学的国家重点实验室，以3D打印的方法制造出大型电机，并演示如何搭载“航空母舰”微型驱动器在大体积溶液中高效降解爆炸物TNP。3D打印马达由锥形头和管状体组成。其模型如图1所示。既可以储存燃料（乙醇），也可以同时搭载活性TiO2/Pt Janus微型电机。乙醇从3D打印电机槽中不对称释放，在液体表面产生张力梯度，通过马戈朗尼效应推动发动机与此同时TiO2/Pt缓慢大范围释放，同时采用宽波氙灯模拟太阳光激活Janus粒子对TNP的降解。类似某些昆虫和脊椎动物的，在能见度较低的情况下会采用沿墙壁爬行，根据化学渗透假说3D打印发动机也会有沿墙运动行为。研究团队研究了3D打印发动机的沿墙运动，并证明可以通过墙壁表面润湿性以及3D打印马达尺寸和形状来改变调整。

研究人员发现基于TiO2/Pt 的微型驱动器在紫外线的照射下形成具有降解能力的自由基，3D打印马达在马戈朗尼效应的推动下快速前进并释放这些自由基最大范围的降解TNP，如图2a所示，图2b展示了3D打印马达的实物图，图2c展示3D打印马达的运动通过释放存储在腔体的40μL乙醇与水形成的马戈朗尼效应，图2d展示3D打印马达分解TNP污染物，图2e在光学显微镜下TiO2/Pt Janus微型驱动器在紫外光照射下在TNP溶液的运动轨迹，结果证明TNP对微型驱动器运动的影响很小。图2f搭载3D打印马达的TiO2/Pt Janus驱动器可显著提高降解速率。

图2a）3D打印马达运动及降解原理b）3D打印马达实物c)3D打印马达在水中运动d）3D打印马达在TNP中运动e)在紫外线照射下 TiO2/Pt Janus微型驱动器运动轨迹f)3D打印马达在有无TNP溶液中运动对比

参考文献：
Lei Kong, Adriano Ambrosi,et al.Self-Propelled 3D-Printed “Aircraft Carrier” of Light Powered Smart Micromachines for Large-Volume Nitroaromatic Explosives Removal. Advance functional materials.2019

供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室