小馬達(dá)大能量：光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的前沿研究

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025 年第20 期 《 光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的機(jī)理及應(yīng)用 》

近年來(lái)，光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)作為一種新興的微型動(dòng)力裝置，因其能量輸入可調(diào)、開關(guān)狀態(tài)可逆且可遠(yuǎn)程操控等優(yōu)勢(shì)，在水環(huán)境處理、生物醫(yī)療以及生物傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本文梳理了光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析了驅(qū)動(dòng)機(jī)理、獨(dú)特優(yōu)勢(shì)及典型應(yīng)用，指出面臨的主要問(wèn)題，對(duì)于未來(lái)研究提出具體建議。

微納馬達(dá)是一種介于微納米尺度、能夠?qū)⑼獠凯h(huán)境能量轉(zhuǎn)化為自身動(dòng)能并執(zhí)行特定功能的微型裝置，在生物醫(yī)療、生物傳感和水環(huán)境監(jiān)測(cè)修復(fù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，已成為納米科技和生物醫(yī)學(xué)的前沿?zé)狳c(diǎn)。我們的研究從光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理著手，探討了其在材料科學(xué)、光能利用及驅(qū)動(dòng)控制等方面的進(jìn)展，并展望了光控驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的發(fā)展方向。

1 光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)運(yùn)動(dòng)機(jī)理

光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理主要涉及3種效應(yīng)：光熱效應(yīng)、光致異構(gòu)化和光催化分解。

1.1 光熱效應(yīng)

利用光熱效應(yīng)的光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)是馬達(dá)將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致馬達(dá)表面產(chǎn)生溫度梯度或周圍介質(zhì)物性變化而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的一類馬達(dá)。如圖1（a）所示，Lin等將金納米粒子不對(duì)稱分布于納米顆粒表面制備了納米馬達(dá)；Liu等設(shè)計(jì)了一種呈不對(duì)稱火柴棍狀結(jié)構(gòu)的納米馬達(dá)，巧妙替代了傳統(tǒng)的金納米粒子，如圖1（b）所示；Hu等將光熱Fe3O4納米粒子沉積于聚合物顆粒表面制備了微米馬達(dá)，如圖1（c）所示。

圖1（a）納米馬達(dá)表面金吸收熱量產(chǎn)生溫度梯度；（b）TiO2?SiO2?介孔碳納米馬達(dá)吸收熱量發(fā)生自熱泳；（c）光致熱對(duì)流驅(qū)動(dòng)微米馬達(dá)集群運(yùn)動(dòng)

1.2 光致異構(gòu)化

光致異構(gòu)化是指分子在光照條件下，分子內(nèi)部的化學(xué)鍵重新排列，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲、伸展或收縮等現(xiàn)象。典型的光異構(gòu)分子是偶氮苯和螺吡喃等衍生物，能夠在紫外光和可見光交替照射下發(fā)生可逆的反?順?反構(gòu)型轉(zhuǎn)換，如圖2（a）所示。Abid等制備了表面接枝偶氮苯的聚合物納米馬達(dá)，如圖2（b）所示，實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)在水溶液中的定向運(yùn)動(dòng)。Xiong等報(bào)道了一種一鍋式組裝偶氮苯聚合物納米馬達(dá)的方法，如圖2（c）所示，所獲得的馬達(dá)不僅能夠利用光異構(gòu)化引起的顆粒變形促進(jìn)其在溶液中的自推進(jìn)，同時(shí)可利用紫外光照射的光熱轉(zhuǎn)化，為納米馬達(dá)提供動(dòng)能。

圖2（a）偶氮苯分子在紫外光/可見光交替照射下發(fā)生順反構(gòu)型轉(zhuǎn)換；（b）表面涂覆偶氮苯的納米馬達(dá)發(fā)生光致異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)；（c）偶氮苯光異構(gòu)化引起的顆粒變形和光熱轉(zhuǎn)化共同推進(jìn)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)

然而該類馬達(dá)一般通過(guò)表面修飾，使得馬達(dá)表面光敏物質(zhì)含量較低，所以運(yùn)動(dòng)性能并不是十分出色，無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的運(yùn)動(dòng)。其也存在光致疲勞現(xiàn)象，可能限制其在應(yīng)用中的有效性和穩(wěn)定性。

1.3 光催化分解

光催化分解是指光催化劑吸收光能后，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子?空穴對(duì)，電子和空穴分別參與還原和氧化反應(yīng)，生成新的產(chǎn)物（電解質(zhì)或非電解質(zhì)），從而改變局部物質(zhì)濃度梯度。Maric等基于不同金屬（Pt、Cu、Fe和Au）分別與TiO2構(gòu)成微米馬達(dá)，如圖3（a）所示，金屬與TiO2的電勢(shì)差越大，馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度越大。He等基于氧化鋅和鉑制備了一種紫外光驅(qū)動(dòng)的ZnO/Pt微米馬達(dá)，如圖3（b）所 示 ，它能夠在光的激發(fā)下促使微馬達(dá)啟動(dòng)，并維持一種持續(xù)且定向的移動(dòng)模式。如圖3（c）所示，Urso等所設(shè)計(jì)的Ag?TiO2微米馬達(dá)，無(wú)論是否有紫外光存在，通過(guò)自擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)高速自主運(yùn)動(dòng)。如圖3（d）所示，張靜等基于Pt和SiO2制備了一種中空微米馬達(dá)，O2氣體分子聚集成核形成氣泡從而推動(dòng)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，而氣泡潰滅產(chǎn)生的微射流顯著增加了馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度。

圖3（a）金屬?TiO2馬達(dá)在紫外光作用下發(fā)生自電泳；（b）具有強(qiáng)偶極矩的ZnO/Pt微米馬達(dá)沿光照方向持續(xù)運(yùn)動(dòng)；（c）MXene衍生的Ag?TiO2馬達(dá)發(fā)生自擴(kuò)散泳；（d）氣泡驅(qū)動(dòng)微米馬達(dá)運(yùn)動(dòng)機(jī)理

2 光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的分類及典型應(yīng)用

根據(jù)光源特性，光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)主要可分為紫外光驅(qū)動(dòng)、可見光驅(qū)動(dòng)和近紅外光驅(qū)動(dòng)3類。

2.1 紫外光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)典型應(yīng)用

紫外光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)比較適用于水環(huán)境治理和目標(biāo)貨物輸送領(lǐng)域。

2.1.1 水環(huán)境治理

紫外光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)在水環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水質(zhì)修復(fù)，如Debata等設(shè)計(jì)了一種具有獨(dú)特光學(xué)響應(yīng)特性的微馬達(dá)，這種馬達(dá)在紫外光下能夠可控運(yùn)動(dòng)，如圖4（a）所示。2022年，Li等制備了一種能被紫外光激發(fā)并可通過(guò)磁場(chǎng)控制方向的Fe3O4@TiO2/Pt微米馬達(dá)，如圖4（b）所示，可實(shí)現(xiàn)30 min內(nèi)定向光催化降解92.25%的甲基藍(lán)污染物。2023年，Huang等基于金屬?有機(jī)框架制備了PPy/ZIF?8微米馬達(dá)。如圖4（c）所示，他們將這些光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)應(yīng)用于廢水中金黃色葡萄球菌的去除。2024年，F(xiàn)ang等成功設(shè)計(jì)并制備了一種類似多肉植物的ZnO/MOF/Fe3O4雜化微馬達(dá)，如圖4（d）所示，實(shí)現(xiàn)了在紫外光照射下四環(huán)素的高效動(dòng)態(tài)熒光檢測(cè)與光催化降解。

圖4（a）微馬達(dá)的熒光信號(hào)通過(guò)響應(yīng)pH值發(fā)生變化；（b）Fe3O4@TiO2 /Pt微米馬達(dá)展示出優(yōu)異的甲基藍(lán)降解性能； （c）PPy/ZIF?8微米馬達(dá)去除廢水中金黃色葡萄球菌機(jī)理；（d）ZnO/MOF/Fe3O4雜化微馬達(dá)對(duì)四環(huán)素的熒光檢測(cè)與光催化降解機(jī)理

2.1.2 目標(biāo)貨物輸送

紫外光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)成為精準(zhǔn)、可控和靈活的貨物運(yùn)輸?shù)睦硐牍ぞ摺?021年，Jiang等開發(fā)了一種由TiO2和多壁碳納米管組成的刺猬形微米馬達(dá)，依靠自電泳實(shí)現(xiàn)了快速的定向移動(dòng)和聚集。此外，如圖5（a）所示，通過(guò)調(diào)控紫外光的方向，實(shí)現(xiàn)貨物的精準(zhǔn)投遞，這為開發(fā)新型的微米級(jí)運(yùn)輸及遞送系統(tǒng)提供了新的指引。為了提高馬達(dá)的載貨能力，Zhang等設(shè)計(jì)了基于光趨性的TiO2微米馬達(dá)，如圖5（b）所示，可共同協(xié)作運(yùn)輸多個(gè)不同類型的大尺寸貨物從而實(shí)現(xiàn)貨物的精準(zhǔn)遞送。

圖5（a）Hs?TiO2微米馬達(dá)實(shí)現(xiàn)貨物的精準(zhǔn)捕捉、輸送和釋放；（b）左圖為TiO2?MF微米馬達(dá)群輸送單個(gè)氨基聚苯乙烯微球，右圖為TiO2?MF微米馬達(dá)群輸送多個(gè)全氟辛烷液滴

2.2 可見光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)典型應(yīng)用

2.2.1 水環(huán)境修復(fù)

近年來(lái)，研究者們通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和優(yōu)化材料，顯著提升了可見光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)在水環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用潛力。如2021年Ying等設(shè)計(jì)了一種可六自由度運(yùn)動(dòng)的TiO2/Fe3O4/CdS微馬達(dá)，如圖6（a）所示，使其降解水中苦味酸（高能炸藥）的性能明顯提升。為進(jìn)一步提高馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度和污染物降解能力，2022年，Song等制備了一種基于碳微球和石墨相氮化碳的可見光驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)，如圖6（b）所示。針對(duì)復(fù)雜難降解的有機(jī)污染物，F(xiàn)eng等從提升光催化性能的角度出發(fā)，開發(fā)了一種具有三維多孔結(jié)構(gòu)的雙模式驅(qū)動(dòng)Fe3O4/f?C3N4微馬達(dá)，如圖6（c）所示，實(shí)現(xiàn)了抗生素高效去除。

圖6（a）不同馬達(dá)對(duì)苦味酸的降解性能對(duì)比；（b）g?C3N4@CMS微馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)和催化降解RhB機(jī)理；（c）左圖為雙模式驅(qū)動(dòng)Fe3O4 /f?C3N4馬達(dá)在可見光和磁場(chǎng)作用下聚集，通過(guò)增加局部催化劑濃度增強(qiáng)催化活性， 右圖為Fe3O4 /f?C3N4馬達(dá)光降解抗生素機(jī)理

2.2.2 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

可見光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域時(shí)，利用光催化將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為馬達(dá)的機(jī)械能，以提高馬達(dá)運(yùn)動(dòng)能力。如圖7（a）所示，Wang等制備了一種以葡萄糖為燃料的Cu2O@N?CNT微馬達(dá)。2021年，Pacheco等利用可降解聚合物聚己內(nèi)酯（PCL）和聚乳酸?羥基乙酸（PLGA），制備了一種由CdSe@ZnS量子點(diǎn)作為光活性材料，并負(fù)載不對(duì)稱Fe3O4納米顆粒的微馬達(dá)，如圖7（b）所示，不僅能夠有效避免生物污染，而且提高了微馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度。

圖7（a）以葡萄糖為燃料的Cu2O@N?CNT馬達(dá)在可見光下的運(yùn)動(dòng)機(jī)理；（b）負(fù)載功能涂層的微米馬達(dá)在血液中運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行毒素清除

2.2.3 目標(biāo)貨物運(yùn)輸

可見光在目標(biāo)貨物輸送方面同樣展示出良好的應(yīng)用前景，如Martinez等探究了利用外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微馬達(dá)在運(yùn)輸微觀貨物方面的特性。他們發(fā)現(xiàn)，該馬達(dá)在藍(lán)光作用下，可實(shí)現(xiàn)貨物在任意位置的拾取、運(yùn)輸和釋放，如圖8（a）所示。Villa等制備了單組分BiVO4微米馬達(dá)，如圖8（b）所示，這些馬達(dá)在光激活下表現(xiàn)出尋找和黏附酵母細(xì)胞壁的能力，并可通過(guò)控制光源開關(guān)來(lái)控制其附著和釋放。

圖8（a）藍(lán)光開/關(guān)下微米馬達(dá)運(yùn)動(dòng)及可逆地結(jié)合膠體貨物的示意；（b）BiVO4馬達(dá)在可見光照射下捕獲、運(yùn)輸酵母細(xì)胞并使其失活

2.3 近紅外光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)典型應(yīng)用

近紅外光因其在材料中良好的吸收特性和高效的光熱轉(zhuǎn)換能力，成為驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的理想光源。近紅外光的生物組織穿透性強(qiáng)、光毒性低、具有高度生物相容性和安全性，因此近紅外光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)特別適合于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

2.3.1 生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)

通過(guò)在微納馬達(dá)表面附著熒光物質(zhì)，并利用近紅外光的激發(fā)，可以促使這些馬達(dá)發(fā)射出可見光譜內(nèi)的熒光或更高頻率的光輻射，這一特性使微納馬達(dá)成為生物標(biāo)記與細(xì)胞成像領(lǐng)域的重要工具。2020年，Xu等開發(fā)了一種近紅外光驅(qū)動(dòng)的熒光納米馬達(dá)，用于檢測(cè)人體血液中的腫瘤細(xì)胞（CTCs）。如圖9（a）所示，為復(fù)雜血液環(huán)境中檢測(cè)腫瘤細(xì)胞提供了新途徑。2021年，Zheng等開發(fā)了一種近紅外光驅(qū)動(dòng)的Janus多孔硅納米馬達(dá)，用于增強(qiáng)體內(nèi)腫瘤組織的磁共振成像（MRI），如圖9（b）所示。2022年，Zhao等提出了一種摻雜鑭系元素的上轉(zhuǎn)換熒光微馬達(dá)。如圖9（c）所示，這種將溫度傳感和藥物遞送集成到一個(gè)微馬達(dá)的設(shè)計(jì)為精準(zhǔn)醫(yī)療提供了一種創(chuàng)新工具。

圖9（a）NIR驅(qū)動(dòng)熒光納米馬達(dá)的制備及檢測(cè)腫瘤細(xì)胞機(jī)理；（b）Janus多孔硅納米馬達(dá)的制備及增強(qiáng)MRI成像機(jī)理；（c）近紅外光誘導(dǎo)的局部流體流動(dòng)驅(qū)使馬達(dá)將藥物遞送到癌細(xì)胞

2.3.2 光熱治療

光熱療法是利用具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換性能的材料，將其注入機(jī)體內(nèi)部并使其聚集在腫瘤組織附近，將外部光源的能量轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)殺死癌細(xì)胞的一種方法。2020年，Zhou等開發(fā)了一種近紅外光驅(qū)動(dòng)的仿生納米馬達(dá)。如圖10（a）所示，確保馬達(dá)將藥物精準(zhǔn)運(yùn)送到癌細(xì)胞，展現(xiàn)了在癌癥治療中的巨大潛力。在光熱治療的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合治療是一種更為有效的方式。Guo等聯(lián)合光熱和免疫療法，制備了殼聚糖包覆的空心銅硫化物納米馬達(dá)，并在其表面組裝免疫佐劑。如圖10（b）所示，該方法比單獨(dú)的免疫療法或光熱療法更為有效。2022年，Liu等合成了一種近紅外光驅(qū)動(dòng)的核桃狀聚多巴胺（PDA）納米馬達(dá)。如圖10（c）所示，所制備的PDA納米馬達(dá)具有良好的生物相容性和光熱效應(yīng)。

圖10（a）自熱泳納米馬達(dá)將藥物精準(zhǔn)運(yùn)送到癌細(xì)胞示意；（b）殼聚糖包覆的空心銅硫化物納米馬達(dá)通過(guò)光熱和免疫療法治療腫瘤細(xì)胞；（c） 核桃狀納米馬達(dá)對(duì)近紅外光的響應(yīng)機(jī)理及作用于腫瘤部位的時(shí)間變化圖像

2.4 光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的應(yīng)用分析

不同光驅(qū)動(dòng)的微納馬達(dá)因其特有的光源和材料響應(yīng)性，在不同領(lǐng)域既展現(xiàn)了獨(dú)特的應(yīng)用潛力，同時(shí)在若干交匯領(lǐng)域亦能各展所長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體需求選擇最合適的驅(qū)動(dòng)方式或探索多光譜響應(yīng)材料，以結(jié)合不同光源的優(yōu)勢(shì)。

可見光和近紅外光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面各有優(yōu)勢(shì)但又存在一定的差異。可見光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)具有較好的生物相容性和馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度，但受限于可見光的穿透深度和能量密度，一般適用于淺表組織或體外應(yīng)用。而近紅外光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)具有深層組織穿透能力和低生物組織吸收特性，適用于體內(nèi)深層組織的腫瘤細(xì)胞捕獲、成像和治療等應(yīng)用，但近紅外光源相對(duì)昂貴，可能增加治療成本。

3 光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的局限性及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的局限性

3.1.1 能量轉(zhuǎn)換效率低

光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)依賴于光能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。然而，可見光和紅外光的能量密度相對(duì)較低，能量損失是不可避免的。

3.1.2 光源強(qiáng)度問(wèn)題

當(dāng)近紅外光源強(qiáng)度不足時(shí)，微納馬達(dá)無(wú)法獲取足夠的能量，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)速度和效率降低，而過(guò)強(qiáng)的光源會(huì)引發(fā)顯著的光熱效應(yīng)，局部溫升可能對(duì)正常生物組織造成熱損傷，影響其正常功能。

3.1.3 環(huán)境介質(zhì)影響

光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的性能在不同環(huán)境介質(zhì)中會(huì)受到黏度、化學(xué)成分和離子強(qiáng)度的顯著影響。這些不利條件嚴(yán)重制約它們?cè)趶?fù)雜生物流體以及高黏度介質(zhì)中的實(shí)際應(yīng)用。

3.1.4 材料選擇問(wèn)題

一些高效的光敏材料因具有生物毒性，限制了它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，某些材料在特定環(huán)境條件下不夠穩(wěn)定，可能會(huì)降解并導(dǎo)致性能衰減。

3.2 光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

（1）提高能量轉(zhuǎn)換效率。開發(fā)新材料和結(jié)構(gòu)，尤其是要克服微納尺度上的能量轉(zhuǎn)換難題，提升在低光強(qiáng)環(huán)境下的馬達(dá)運(yùn)動(dòng)性能。

（2）增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性。確保在復(fù)雜生物流體中也能保持穩(wěn)定的性能。

（3）提高生物相容性。開發(fā)新型的光敏材料，以確保微納馬達(dá)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的安全性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

（4）多源驅(qū)動(dòng)方式的融合。結(jié)合不同驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以滿足復(fù)雜環(huán)境和多樣化應(yīng)用的需求。

（5）集成多功能性。未來(lái)成為一個(gè)真正的智能納米機(jī)器人，以滿足復(fù)雜任務(wù)的需求。

本文作者：陳剛、劉云龍、張冰洋

作者簡(jiǎn)介：陳剛，鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院、河南省能源高效轉(zhuǎn)化與利用國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，講師，研究方向?yàn)槲⒓{馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理及其應(yīng)用。

文章來(lái) 源 ： 陳剛, 劉云龍, 張冰洋. 光驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的機(jī)理及應(yīng)用[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(20): 25?36 .

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