人工仿生构建捕食者-猎物群活性微米马达系统
纳米人 纳米人 2020-01-23


发表截图-.png


第一作者:牟方志,李小丰

通讯作者:官建国

通讯单位:武汉理工大学

 

研究亮点:

1. 基于扩散泳排斥力和吸引力的二元惰性粒子对能表现出仿生捕食者-猎物群相互作用,可用于构建活性微米马达系统

2. 为微纳马达个体与集群或系统的构建、驱动与运动控制提供了新思路。

 

自然界中捕食者和猎物的相互作用

自然界中有许多种生物都趋向于通过局部自组织交互作用形成生物集群,如结队巡游的鱼群、迁徙的角马群、集体飞行的鸟群、行进中的蚁群、采蜜的蜂群和细菌菌落等。生物体形成集群动机来源于集群可为其提供更好的生存和繁衍条件。例如,当面对捕食者时,猎物可通过形成紧密的群体来提高警戒距离、选择正确逃跑方向并迷惑对方,从而降低被捕食的风险。捕食者和猎物的追逐-逃跑行为主要依赖于它们之间的局部相互作用,包括猎物对捕食者的吸引作用和捕食者对猎物的排斥作用。在这些相互作用下,捕食者会朝着猎物聚集区域运动,而猎物趋于向远离捕食者的方向逃跑,从而呈现出动态变化的群体运动行为,如图1A和B所示。

 

成果简介

最近,美国化学会材料类权威期刊《ACS Nano》在线发表了武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室官建国长江学者教授研究组题为“用具有仿生捕食者-猎物群相互作用的惰性粒子构建活性微米马达系统”(Active Micromotor Systems Built from Passive Particles withBiomimetic Predator-Prey Interactions)的研究论文。


1-.png


图1. 自然界中捕食者-猎物群运动行为:(A)羊群躲避牧羊人的集群运动(摄影:Yann Arthus Bertrand);(B)沙丁鱼群在海鸟攻击下的集群运动。(来源: The Telegraph, Jason Heller/ Barcroft Media.)。仿生捕食者-猎物群活性微米马达系统:(C)活性微米马达系统的形成示意图;(D)基于扩散泳的仿生捕食者-猎物群相互作用模拟图;(E)ZnO-TiO2活性微米马达系统中的捕食者-猎物群运动行为。

 

要点1:自然现象启发合成了正-负离子对扩散系数的不同的微纳米粒子

受此自然现象的启发,作者在该论文中,利用人工合成的微纳米粒子在水中分散时释放的正-负离子对扩散系数的不同,构建了对其周围的粒子分别产生扩散泳吸引力和排斥力的两元微米粒子对,巧妙地实现了类似于自然界的捕食者-猎物群间的仿生排斥-吸引作用。基于此,提出了一种基于两元惰性粒子间仿生捕食者-猎物群相互作用的活性微米马达系统新概念。他们将基于水中扩散泳作用的吸引性微粒(猎物颗粒)和排斥性微粒(捕食者颗粒)进行简单的分散混合,构建出了仿生捕食者-猎物群相互作用的活性微米马达系统(图1C)。

 

要点2:微米马达系统自驱动的物理化学机制

作者首先演示了由分散悬浮在水中的表面富含OH的TiO2微米粒子和ZnO微米针两元粒子活性微米马达系统,并阐明了这种活性微米马达系统产生自驱动的物理化学机制。悬浮在水中的表面富含OH的TiO2微米粒子会向水中释放H+和OH-,而ZnO微米针在水中释放出Zn2+和OH-。由于所释放的正、负离子在水中的扩散速率D的差异(Zn2+,D=0.703´10-9m2/s; H+, D = 9.97´10-9m2/s; OH-, D= 5.273´10-9m2/s),当它们滴在带负电的玻璃基板上时,TiO2微米粒子会在其周围空间形成由外向内的汇聚性局部扩散电场和电渗流;而ZnO粒子会在其局部空间形成由内向外的发散性局部扩散电场和电渗流。在这种自扩散电渗流的作用下,TiO2粒子对其周围的粒子产生吸引作用,而ZnO粒子对其周围的粒子产生排斥作用。尽管这两种悬浮粒子的水分散体系在混合之前仅能表现出随机布朗运动,但将它们两者进行混合后,TiO2微米粒子会在汇聚性局部扩散电场和电渗流吸引作用下快速聚集形成仿生猎物集群,吸引附近的ZnO微米针;同时,ZnO微米针在发散性局部扩散电场和电渗流排斥作用下,类似仿生捕食者角色,会排斥TiO2微米粒子仿生猎物集群。这样,当ZnO微米针接近TiO2微米粒子集群时,就会构建形成二元粒子体系的扩散泳吸引-排斥相互作用(仿生捕食者-猎物群相互作用)(图1D)。在无额外化学燃料和外场的情况下,系统中的ZnO微米针不断受到来自猎物颗粒吸引作用而持续追逐TiO2微米粒子集群;相应地, TiO2微米粒子在ZnO微米针局部排斥作用下会持续逃离并呈现出动态群体重构行为(图1E)。

 

要点3:构建活性微米马达系统的普适性研究

基于这种概念构建活性微米马达系统具有普适性,例如Ag3PO4-TiO2和ZnO-AgBr两元粒子对均能形成活性微米马达系统。在这些活性微米马达系统中,捕食者和猎物颗粒是通过仿生捕食者-猎物群相互作用来相互驱动的,不需要外加额外的化学燃料和外场作用。因此,这种方法不仅可以用来创制由惰性颗粒或“固体燃料”驱动的个体微米马达,而且还可以用来开发可操纵“运动物体”的微米马达集群或具有“猎物趋向性(preytaxis)”的微米马达。此外,该工作还概念性验证了由具有互补或协作功能异质个体来构建智能微纳米马达系统的可能性。

 

小结

本文提供了一种简便构建活性微纳米马达系统的方法。这为由惰性颗粒或“固体燃料”驱动的个体微纳马达,以及可操纵“运动货物”的微型马达集群提供了新思路。此外,本文也概念性验证了由具有互补或协作功能的异种个体组成的智能微纳马达系统的可行性。

 

参考文献

Mou F, Li X, Xie Q, etal. Active Micromotor Systems Built from Passive Particles with BiomimeticPredator-Prey Interactions. ACS nano, 2019.

DOI: 10.1021/acsnano.9b05996

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b05996

 

作者简介

2-.png

牟方志,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室副研究员,博士生导师,湖北省杰出青年基金获得者,武汉理工大学青年拔尖人才(第二层次)。2012年6月毕业于武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,并获得博士学位。2010-2011年其间获国家留学基金委的资助赴美国WashingtonUniversity in St.Louis联合培养学习。2012.7起先后任武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室助理研究员、副研究员。主要从事微纳米马达和仿生微纳米机器人集群与系统的研究。现已在iScience、ChemSoc Rev、AdvMater、Accounts Chem Res、ACSNano、Angew Chem Int Ed等国际权威学术期刊上发表研究论文40余篇。

网页链接: https://www.researchgate.net/profile/Fangzhi_Mou 

http://guan.group.whut.edu.cn/zycy/js/201510/t20151016_200561.htm 

 

3-.png


官建国,武汉理工大学材料学科首席教授、教育部长江学者特聘教授、材料科学与工程国际化示范学院教学院长、博士生导师,中国微米纳米技术学会会士、英国皇家化学会会士(FRSC)、国家级“新世纪百千万人才工程”人选、湖北省高端人才引领培养计划首批人选,享受国务院政府特殊津贴,兼任中国微米纳米技术协会理事以及微纳执行器与微系统分会副理事长、中国材料学会超材料分会常务理事、总装某专家组成员等。是Appl Mater Today、Nanomaterials、Micromachines等学术期刊编委,也是国家科技奖励、“万人计划”和“长江学者奖励计划”评审专家、科技部863计划、国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目评审专家等。

 

先后负责或领导研究团队承担了包括国家863项目、重点型号材料配套项目和总装预研计划项目等在内的国家级重要科研项目40余项。多项研究成果分别通过了教育部、中航工业、船总和航天科工集团的项目成果鉴定和产品鉴定,并被纳入国军标,工程应用于多个国家重点型号装备。在iScience、Chem Soc Rev、Adv Mater、Account Chem Res、Angew Chem Int Ed、Nano Lett、Adv Funct Mater、ACS Nano等SCI期刊上发表论文230余篇,引用7000余篇次,已获授权国家(或国防)发明专利40项;作为会议主席,多次举办国际和全国学术会议,并受邀在国际或全国学术会议上作大会报告、特邀报告、专题报告或分会主席30余次。已获国家教学成果二等奖1项、省部级科技和教学成果一等奖4项、教育部和湖北省自然科学二等奖各1项,中国微米纳米技术协会Navitar微纳技术创新奖以及“高技术武器装备发展建设工程有功个人”等荣誉称号。他主要研究兴趣有电磁功能复合材料、响应性光子晶体和微纳米马达。

研究组网页链接: http://guan.group.whut.edu.cn

加载更多
3243

版权声明:

1) 本文仅代表原作者观点,不代表本平台立场,请批判性阅读! 2) 本文内容若存在版权问题,请联系我们及时处理。 3) 除特别说明,本文版权归纳米人工作室所有,翻版必究!
纳米人
你好测试
copryright 2016 纳米人 闽ICP备16031428号-1

关注公众号