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上海交通大学自然科学研究院最新成果:微纳马达在拥挤环境中加速

近日,上海交大物理与天文系和自然科学研究院的张何朋 课题组与哈工大深圳分校的王威课题组合作,运用实验和数值的方法对微纳马达在拥挤环境的性能这一问题开展系统研究,研究成果于9月3日在Physical Review Letters发表 [ Phys. Rev. Lett. 117, 198001 (2016)],论文题目为:“Bimetallic Microswimmers Speed Up in Confining Channels”。

在微纳米尺度实现物质输运的常用方法是外场驱动,如温度、压强或者电场等。与利用外场不同,天然和人造的微纳马达能在无外场的条件下,通过消耗自身或环境储备的能量来实现自我驱动。对微纳马达的研究,既揭示了控制微纳尺度输运过程的基本原理,也演示了众多微纳马达可能的应用,比如药物输运、环境清理等,因此微纳马达成为物理、化学、材料、生物等领域共同关注的热点。2016年的诺贝尔化学奖颁发给让-皮埃尔·绍瓦热(Jean-Pierre Sauvage),J·弗雷泽·斯托达特(J. Fraser Stoddart)和伯纳德·L·费林加(Bernard L. Feringa),表彰他们在微纳马达领域的卓越贡献。

微纳马达大都在拥挤环境(如细胞或者微流腔体)中工作,因此理解拥挤环境对马达性能的影响是一个重要课题。张何朋 课题组的研究生刘畅发现微纳马达在微米通道中的速度明显增加,该现象与拥挤环境导致马达减速的物理直觉相悖。刘畅进一步发现马达速度增加的幅度反比与通道的截面积,正比于马达自身的长度,且和溶液中燃料的浓度无关。这些实验结果均可以由一个数值模型重现,模型揭示了马达在通道里的速度增加起源于静电以及流体力学的边界效应。除了报道和解释微纳马达加速这一的新奇现象,刘畅等还指出空间受限是控制马达运动的一个有效的方法,这可能对扩大微纳马达的应用范围有重要意义。

研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委和教委的基金支持。

参考文献: Chang Liu, Chao Zhou, Wei Wang and H.P.Zhang, “Bimetallic Microswimmers Speed Up in Confining Channels”, Physical Review Letters, 117.198001 , 2016.