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中美学者规模化研制细胞大小的胶体机器人
爱因斯坦 2018-11-20
导语

细胞大小的智能机器人具有很大的应用潜力,如将其分散、流动到传统电子器件难以进入的封闭环境中,如石油、天然气管道或人体的胃肠道以及血管中等,去采集、记录和发送相应环境的信息。

机器人正变得越来越小型化,浙江大学与麻省理工学院的学者近日成功设计出了细胞体大小的机器人,其能够携带和收集周遭体内环境的数据,帮助人们监控健康状况甚至携带药物。这项研究以封面文章的形式被《自然材料》(Nature Materials)报道。

▍像包饺子一样制作出首个胶体机器人

要制造出胶体机器人,课题组主要克服的两个方面的难题:传统自上而下的光刻技术不适用于胶体体系的规模加工和生产,以及原子厚度的石墨烯等二维材料薄而脆断裂行为难以控制。

浙江大学化工学院刘平伟研究员和麻省理工学院的Michael S. Strano课题组合作首创了一种全新的微纳加工技术—自动穿孔(autoperforation)纳米加工技术,解决了上述两个挑战。

该技术是一种基于二维材料可控断裂的加工手段,通过喷墨打印在二维材料表面构建由聚合物或聚合物纳米复合物的颗粒阵列,接着将另一种二维材料覆盖在该阵列表面,形成夹层结构。利用这种方法,可以定制得到壳层是连续二维材料,内核为打印材料的特殊微粒。在加工方法可以精确的控制粒子壳层的二维材料种类、表面官能团、内核组成、颗粒形状和大小等多个方面。刘平伟介绍,自动打孔技术的操作条件简单,不需要使用成本高昂、操作复杂的无尘室。

什么是二维材料?一种超薄的、只具有单层或者少数几层原子或分子厚的片状纳米材料,其在Z轴上电子运动受限,有着特殊的光电性能,同时还具有很好的化学和机械稳定性,石墨烯是一种典型二维材料。

刘平伟研究员认为该整个制作过程有些类似于“包饺子”,但不同的是一次能批量制备大量的“饺子”,由于石墨烯或者其它二维材料很薄且脆,其加工操作过程中一般需要衬底材料支撑,如聚合物层。通过利用化学气相沉积法生产的大面积、高质量的二维材料并将其转移到聚合物膜材上可以制得大面积的“饺子皮”,通过喷墨打印的方式可制作由纳米颗粒组成的“馅料”(微粒)阵列。利用两张“饺子皮”,可将该“馅料”阵列包裹起来。。最后通过选择性的将聚合物膜材溶解,石墨烯或者其它二维材料将自然地贴合到“馅料”上,并且在“馅料”的引导下实先自动穿孔切割,批量制得到含有二维材料表皮,纳米颗粒复合而成的内核的微粒。通过这种自穿孔纳米加工技术可以制得尺寸从约10微米到100微米左右的微粒,他们类似于人体红细胞,在显微镜下,具有像活的生物细胞类似的独立、自由浮动行为,可通过磁场驱动,因此也可以视作微粒机器人。

该自动穿孔纳米加工技术的独特之处就是利用了二维材料如石墨烯本征的脆性以及通过施加特定的局部应力场可引导二维材料的可控断裂,进而制得形状和大小可控的二维碎片。例如,理论模拟发现,当石墨烯包裹层附着在具有一定高度的圆柱形状的聚合物粒子上时,处于圆柱边缘的石墨烯会出现应力集中的现象,从而形成环向应力场,该过程就像一块桌布慢慢地落在一张圆形桌子上,桌子边缘会发展产生环形应变场。

▍这个机器人可在封闭环境上天入地

胶囊机器人的“细胞膜”有了,从此细胞内外就有了明显的界限,科学家们可以通过对细胞膜材料以及打印纳米材料的调控,实现多种不同的功能集成。

刘平伟介绍,这种机器人独特的微观结构以及二维材料的引入,赋予了这些“微粒特殊的电子功能和化学传感功能,他们可以采集和记录环境周围的信息,包括记录探针台写入的15个比特的电子信息,以及土壤和水体中的化学物质信息,如金属污染纳米粒子或离子。因此,这些微粒机器人有望能广泛地应用于生物医药研究领域,也可以将其注入石油或天然气管道,获取所需的环境数据。

利用自动打孔技术这种新的微纳加工技术,研究人员可将原子般薄的表面裁剪成所需的形状,并包裹不同的微纳材料,以便应用到不同的学科和领域。总之,自动打孔技术也提供了一种全新的在微粒尺度内集成不同微纳电子器件的方法,有望用来大批量生产具有更复杂功能的微型自驱动的胶体机器人。

刘平伟介绍细胞大小的智能机器人具有很大的应用潜力,如将其分散、流动到传统电子器件难以进入的封闭环境中,如石油、天然气管道或人体的胃肠道以及血管中等,去采集、记录和发送相应环境的信息。

新加坡南洋理工大学科研人员在同期的杂志上专门撰写了点评文章,认为该研究提供了一种全新的微纳制造技术,为二维材料和微纳米颗粒的可控复合及表面功能性集成提供了新的思路。

刘平伟的这项研究从2015年开始,持续三年。论文第一作者为刘平伟研究员,美国麻省理工学院Michael Strano教授是该论文的通讯作者。该工作后期得到了浙江大学“百人计划”启动基金等项目的支持。

文章链接:

Pingwei Liu, et al, "Autoperforation of 2D materials for generating two-terminal memristive Janus particles," Nature Materials 17, pages1005–1012 (2018)

(本文来源:浙江大学新闻网;)

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作者 爱因斯坦

科研工作者

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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