一种复杂构型纳米马达的制备方法与流程

本发明属于纳米技术领域，尤其涉及一种复杂构型纳米马达的制备方法。

背景技术：

纳米马达是指能够将化学能、光能、声能或其他形式的能量转化为机械运动并完成复杂任务的纳米系统,通常也被称为纳米机器人。它与传统上的处于热力学平衡态、只做布朗运动的胶体颗粒有本质区别。它们的运动和相互作用可比拟于自然界中的细胞或细菌,因而被认为是一类新型的仿生智能材料而获得广泛的关注。近年来,纳米马达已逐渐成为纳米技术等相关领域中的研究热点和难点之一。初步研究表明，纳米马达的研究将有望在靶向治疗、细胞的捕获与分离、药物递送、环境净化以及纳米印刷术等领域取得革命性的突破。

在微观尺度尤其是纳米尺度下，一些适用的物理规律会发生改变，为克服低雷诺数领域里巨大的黏滞阻力和小尺寸下具有支配地位的布朗运动,需要用其他的机理来实现运动。其驱动的能源主要来自外界，可分为化学驱动和非化学驱动两类，化学驱动主要依赖于化学反应,并且往往需要催化剂（如铂）和化学燃料(如h2o2)的参与,而非化学驱动主要借助外界的电场、超声场、磁场以及光照等来提供能量。

目前纳米马达的常见形态主要包括阴阳型(janus)球形粒子、纳米管、纳米线以及纳米棒等结构。为满足日趋复杂的功能需求，需要研制复杂构型纳米马达。但由于现有制备技术难度以及驱动机理的限制，纳米马达的形态局限于球型和线型，难以大批量生产复杂构型纳米马达。随着超声的不断发展与运用，极大地拓展了纳米颗粒的运动模式，为构筑复杂构型纳米马达提供了一种思路，因此，开展纳米马达超声辅助自下而上制备技术的研究具有显著的现实意义和实用价值。

检索现有的纳米马达制备方法专利可知，申请日为2016年12月18日，申请号为201611173321.7的专利公开了一种微纳米马达及其制备方法，其特点是运用动态阴影沉积技术设计出不同结构的纳米棒，纳米棒的大小、间隔、密度、形状可以调节，且对制备纳米棒的材料几乎没有限制。但是该类型制备方法难以制备中空形纳米马达，无法搭载大批量的药物，运载能力较差。申请日为2017年11月27日，申请号为201711210007.6的专利公开了一种用于自驱动的聚氨基酸微纳米马达的制备方法，该方法基于模板电聚合法，制备简单，且所制备的纳米马达具有生物相容性好，生物降解性高等特点，但该方法仅适用于制备以聚氨基酸为材料的纳米马达，且其结构较为简单，多为线型。综上所述，设计并制备复杂构型纳米马达，选择稳定性高的作动方式，成为提高纳米马达实用性的关键技术。

技术实现要素：

本发明提供了一种复杂构型纳米马达的制备方法，采用声波振动作为操控球体运动并装配的手段，通过调节声场的分布和强弱，可以改变球体的装配方式，形成多种复杂构型纳米马达，无需化学燃料，并且对于球体的材料没有特殊的要求。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种复杂构型纳米马达的制备方法，包括以下步骤：

(1)以驱动板作为基板，将光刻胶在驱动板上进行匀胶处理，运用光刻技术进行微尺度阵列结构的加工，在驱动板的一端粘结换能器，得到声操控平台；

(2)将含有纳米球体的悬浮液铺展在步骤(1)得到的声操控平台上，形成单层的球体结构；

(3)引入超声场，纳米球体在声流作用下被所述微尺度阵列结构捕获并围绕着所述微尺度阵列结构进行装配，形成特定的复杂结构体；

(4)静置至悬浮液蒸发后，在步骤(3)形成的复杂结构体上磁控溅射分子膜；

(5)将复杂构型纳米马达和声操控平台进行分离得到复杂构型纳米马达。

以上所述步骤中，步骤(1)所述的驱动板为硅基板或者玻璃板，通过微加工方法，在其表面构筑具有微纳尺度的阵列结构，所述微尺度阵列结构为圆形、方形、v形、直线形、螺旋形或上述结构形式叠加而成的结构形式，所述的驱动板厚度为1mm，换能器厚度为0.5mm，微尺度阵列结构厚度为1~20μm；步骤(2)所述的纳米球体为磁性纳米球体或非磁性纳米颗粒，纳米球体尺寸为800nm~50μm；步骤(3)所述的超声场频率为50khz~300khz，所述复杂结构体为环形、u形或长链形；步骤(4)所述的磁控溅射分子膜为sio2或sinx；步骤(5)所述的复杂构型纳米马达为对称结构，所述纳米马达运动方式为旋进或平进。

有益效果：本发明提供了一种复杂构型纳米马达的制备方法，运用超声作为辅助制备手段，驱动板振动引起液体的流动，在特定的阵列结构附近产生局部流场，捕获附近的球体，围绕阵列结构进行装配，所制备的纳米马达的结构主要取决于微尺度阵列结构，阵列结构采用光刻技术加工，具有精准度高、加工便捷和结构稳定的特点，并且可以根据纳米球体材质和工作模式的要求，开展定制化设计；在声场的作用下，纳米球体被阵列结构吸引并捕获，有效地抑制了三维空间内的布朗运动，具有精确性高和可控性高的特点，并且可以通过改变超声控制的参数，如激励频率和工作电压等，改变球体的装配方式；基于超声驱动的特点，对于纳米球体没有特殊的需求，因此人工合成的复合型纳米颗粒或者自然界中的单一型纳米颗粒，均可用作制备纳米马达的材料，并且通过一定的表面修饰或者组装，可以满足特定的需求，如细胞捕获、药物运输等。

附图说明

图1为声操控平台结构图；

图2为纳米球体被微尺度阵列结构捕获的示意图；

图3为纳米球体围绕圆形阵列结构进行装配视图；

图4为纳米球体围绕方形阵列结构进行装配视图；

图5为纳米球体围绕直线形阵列结构进行装配视图；

图6为纳米球体围绕v形阵列结构进行装配视图；

图7为环状型纳米马达结构视图；

图8为u型纳米马达结构视图；

图中：1为驱动板；2为换能器；3为微尺度阵列结构；4为纳米球体；5为纳米球体被捕获轨迹；6为圆形阵列结构；7为方形阵列结构；8为直线形阵列结构；9为v形阵列结构；10为环状型纳米马达运动方式；11为u型纳米马达运动方式。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

实施例1

一种复杂构型纳米马达的制备方法：包括以下步骤：

(1)制备声操控平台：如图1所示，所述声操控平台由驱动板1、压电换能器2、微尺度阵列结构3组成；其中，驱动板1采用高透光的玻璃基板，长度25mm，宽度15mm，厚1mm，其一面固定有微尺度阵列结构3；压电换能器2采用锆钛酸铅材质的压电陶瓷片，压电换能器2长15mm，宽4mm，厚度0.5mm，粘贴在驱动板1与微尺度阵列结构3的同一端，用于将电能转化为机械能；阵列结构1为圆台式构型，直径10μm，高度2μm，采用光敏胶az5214作为基材，由光刻微加工的方式加工而成，再利用磁控溅射形成一层100nm厚的二氧化硅保护层；

(2)将含有纳米球体4的悬浮液铺展在声操控平台上，悬浮液为含有大量纳米球体4的4μl去离子水，采用直径5μm的磁性聚苯乙烯微球作为纳米球体4，利用移液枪将悬浮液铺展在微尺度阵列结构3上；

(3)微尺度阵列结构捕获并装配纳米球体4：当在压电换能器2上施加频率200khz和幅值5v的高频正弦交流信号时，驱动板1处于共振状态，振动传递至微尺度阵列结构3得到进一步放大，从而引起周围液体较强的涡流运动，该流动能够捕获磁性聚苯乙烯微球4，并且磁性聚苯乙烯微球将会围绕微尺度阵列结构的轮廓进行装配，捕获轨迹如图2所示。纳米球围绕圆形阵列结构进行装配，如图3所示。

(4)磁控溅射分子膜：待磁性聚苯乙烯微球4围绕微尺度阵列结构装配完成后，静置数十分钟至悬浮液蒸发后，关闭超声场，使用电子束蒸发镀膜设备，在气压小于1x10^-6托的真空沉积室中，在磁性聚苯乙烯微球4所装配成的复杂结构体上，以30nm/min的速度沉积sio2，形成100nm厚的二氧化硅层。

(5)分离纳米马达：用超声振荡将复杂构型纳米马达和声操控平台进行分离，得到环状型纳米马达，前进方向为旋进，如图7所示。

实施例2

一种复杂构型纳米马达的制备方法：包括以下步骤：

(1)制备声操控平台：如图1所示，所述声操控平台由驱动板1、压电换能器2、微尺度阵列结构3组成；其中，驱动板1采用高透光的玻璃基板，长度25mm，宽度15mm，厚1mm，其一面固定有微尺度阵列结构3；压电换能器2采用锆钛酸铅材质的压电陶瓷片，压电换能器2长15mm，宽4mm，厚度0.5mm，粘贴在驱动板1与微尺度阵列结构3的同一端，用于将电能转化为机械能；阵列结构1为直线形凸台式构型，线宽10μm，高度2μm，采用光敏胶az5214作为基材，由光刻微加工的方式加工而成，再利用磁控溅射形成一层100nm厚的二氧化硅保护层；

(2)将含有纳米球体4的悬浮液铺展在声操控平台上，悬浮液为含有大量纳米球体4的4μl去离子水，采用直径10μm的磁性聚苯乙烯微球作为纳米球体4，利用移液枪将悬浮液铺展在微尺度阵列结构3上；

(3)微尺度阵列结构捕获并装配纳米球体4：当在压电换能器2上施加频率170khz和幅值15v的高频正弦交流信号时，驱动板1处于共振状态，振动传递至微尺度阵列结构3得到进一步放大，从而引起周围液体较强的涡流运动，该流动能够捕获磁性聚苯乙烯微球4，并且磁性聚苯乙烯微球将会围绕微尺度阵列结构的轮廓进行装配，捕获效果如图5所示。

(4)磁控溅射分子膜：待磁性聚苯乙烯微球4围绕微尺度阵列结构装配完成后，静置数十分钟至悬浮液蒸发后，关闭超声场，使用电子束蒸发镀膜设备，在气压小于1x10^-6托的真空沉积室中，在磁性聚苯乙烯微球4所装配成的复杂结构体上，以30nm/min的速度沉积sio2，形成100nm厚的二氧化硅层。

(5)分离纳米马达：用移液枪冲刷将复杂构型纳米马达和声操控平台进行分离，到的u型纳米马达，前进方向为平进，如图8所示。

实施例3

一种复杂构型纳米马达的制备方法：包括以下步骤：

(1)制备声操控平台：如图1所示，所述声操控平台由驱动板1、压电换能器2、微尺度阵列结构3组成；其中，驱动板1采用高透光的硅基板，长度25mm，宽度15mm，厚1mm，其一面固定有微尺度阵列结构3；压电换能器2采用锆钛酸铅材质的压电陶瓷片，压电换能器2长15mm，宽4mm，厚度0.5mm，粘贴在驱动板1与微尺度阵列结构3的同一端，用于将电能转化为机械能；阵列结构1为方形凸台构型，边长20μm，高度5μm，采用光敏胶s1813作为基材，由光刻微加工的方式加工而成，再利用磁控溅射形成一层150nm厚的二氧化硅保护层；

(2)将含有纳米球体4的悬浮液铺展在声操控平台上，悬浮液为含有大量纳米球体4的4μl去离子水，采用直径10μm的磁性聚苯乙烯微球作为纳米球体4，利用移液枪将悬浮液铺展在微尺度阵列结构3上；

(3)微尺度阵列结构捕获并装配纳米球体4：当在压电换能器2上施加频率220khz和幅值20v的高频正弦交流信号时，驱动板1处于共振状态，振动传递至微尺度阵列结构3得到进一步放大，从而引起周围液体较强的涡流运动，该流动能够捕获磁性聚苯乙烯微球4，并且磁性聚苯乙烯微球将会围绕微尺度阵列结构的轮廓进行装配，捕获效果，如图4所示。

(4)磁控溅射分子膜：待磁性聚苯乙烯微球4围绕微尺度阵列结构装配完成后，静置数十分钟至悬浮液蒸发后，关闭超声场，使用电子束蒸发镀膜设备，在气压小于1x10^-6托的真空沉积室中，在磁性聚苯乙烯微球4所装配成的复杂结构体上，以30nm/min的速度沉积sio2，形成100nm厚的二氧化硅层。

(5)分离纳米马达：用超声振荡将复杂构型纳米马达和声操控平台进行分离，得到纳米马达。

实施例4

一种复杂构型纳米马达的制备方法：包括以下步骤：

(1)制备声操控平台：如图1所示，所述声操控平台由驱动板1、压电换能器2、微尺度阵列结构3组成；其中，驱动板1采用高透光的玻璃基板，长度25mm，宽度15mm，厚1mm，其一面固定有微尺度阵列结构3；压电换能器2采用锆钛酸铅材质的压电陶瓷片，压电换能器2长15mm，宽4mm，厚度0.5mm，粘贴在驱动板1与微尺度阵列结构3的同一端，用于将电能转化为机械能；阵列结构1为v形凸台构型，尺寸为10x60μm，高度5μm，采用光敏胶s1813作为基材，由光刻微加工的方式加工而成，再利用磁控溅射形成一层150nm厚的二氧化硅保护层；

(2)将含有纳米球体4的悬浮液铺展在声操控平台上，悬浮液为含有大量纳米球体4的4μl去离子水，采用直径5μm的磁性聚苯乙烯微球作为纳米球体4，利用移液枪将悬浮液铺展在微尺度阵列结构3上；

(3)微尺度阵列结构捕获并装配纳米球体4：当在压电换能器2上施加频率190khz和幅值20v的高频正弦交流信号时，驱动板1处于共振状态，振动传递至微尺度阵列结构3得到进一步放大，从而引起周围液体较强的涡流运动，该流动能够捕获磁性聚苯乙烯微球4，并且磁性聚苯乙烯微球将会围绕微尺度阵列结构的轮廓进行装配，捕获效果，如图6所示。

(4)磁控溅射分子膜：待磁性聚苯乙烯微球4围绕微尺度阵列结构装配完成后，静置数十分钟至悬浮液蒸发后，关闭超声场，使用电子束蒸发镀膜设备，在气压小于1x10^-6托的真空沉积室中，在磁性聚苯乙烯微球4所装配成的复杂结构体上，以30nm/min的速度沉积sio2，形成100nm厚的二氧化硅层。

(5)分离纳米马达：用超声振荡将复杂构型纳米马达和声操控平台进行分离，得到纳米马达。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。