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CN107934912A - 一种仿生草履虫的微纳驱动器 - Google Patents

一种仿生草履虫的微纳驱动器 Download PDF

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CN107934912A
CN107934912A CN201711288359.3A CN201711288359A CN107934912A CN 107934912 A CN107934912 A CN 107934912A CN 201711288359 A CN201711288359 A CN 201711288359A CN 107934912 A CN107934912 A CN 107934912A
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CN
China
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cobalt
micro
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nano
ptfe
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CN201711288359.3A
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English (en)
Inventor
邹强
苏奇
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Tianjin University
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Tianjin University
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Publication date
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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
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    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00349—Creating layers of material on a substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/038—Microengines and actuators not provided for in B81B2201/031 - B81B2201/037

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Abstract

本发明涉及一种仿生草履虫的微纳驱动器，包括位于中间的聚四氟乙烯基底，在聚四氟乙烯基底的两面，分别通过导电银浆连接有钴基底，在两个钴基底的表面，均分布有钴纳米线阵列。

Description

一种仿生草履虫的微纳驱动器
技术领域
该发明涉及微纳机器人领域，尤其涉及磁场驱动的仿生微纳驱动器领域。
背景技术
微纳米机器人指的是尺度在微纳米级别(几纳米至几百微米)的小型机器人，在生物医学和环境保护等领域有非常重要的潜在应用，例如可用于微创外科手术、靶向治疗、细胞操作、重金属检测、污染物降解等，因此受到国内外研究者的广泛关注，近年来发展迅速。
相比于传统的大型机器人，微纳米机器人的工作环境位于雷诺系数很低的环境中，物体可看作在一个非常粘滞、微小以及缓慢的环境中运动，粘滞力占主导作用，惯性力则可忽略不计。在这种条件下，若想驱动微纳米机器人，必须源源不断地为其提供动力。但由于其微小的尺寸，动力源如电池、发动机等很难装载在微纳米机器人中，因此，各种各样的微纳米机器人驱动方式被提出，包括自驱动(自电泳驱动、自扩散泳驱动、自热泳驱动、气泡驱动等方式)和外场驱动(磁场、声场和光驱动)。由于磁场驱动方式磁场强度较低，并且低频率磁场能够穿透生物组织且对生物体无害，成为微纳米机器人领域的最有前景的驱动方式之一。因此，如何制备在较低雷诺系数环境下，易于被驱动和控制的微纳机器人的驱动器成为了研究的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以在低雷诺系数环境下易于被外部磁场驱动和控制的微纳驱动器。本发明根据草履虫的运动原理，制备与草履虫纤毛结构和运动方式类似的纳米线阵列结构，作为微纳驱动器。技术方案如下：
一种仿生草履虫的微纳驱动器，包括位于中间的聚四氟乙烯基底，在聚四氟乙烯基底的两面，分别通过导电银浆连接有钴基底，在两个钴基底的表面，均分布有钴纳米线阵列。
与现有技术相比，该微纳驱动器在低雷诺系数环境下易于被外部电磁场驱动和控制，拓展了微纳驱动器在生物医学和环境保护领域的应用范围。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为单细胞生物草履虫纤毛示意图。
附图标记：101-钴基底；102-导电银浆；103-聚四氟乙烯基底；104-钴纳米线；201-草履虫纤毛；202-草履虫身体。
具体实施方式
本发明的方案思路来源为对单细胞生物草履虫运动原理的研究。草履虫的身体表面覆盖了大量直径在纳米级的纤毛，草履虫依靠这些纤毛的摆动前进，同时这些纤毛也可以帮助草履虫避免环境中污染物的粘附。
本发明提供一种可以在低雷诺系数环境下，易于被外部磁场驱动和控制的微纳驱动器及其制备方法，包括步骤：
(1)聚四氟乙烯基底和紫铜片基底的清洗：在使用前需要依次采用200mL去离子水、100mL丙酮、100mL无水乙醇和200mL去离子水对聚四氟乙烯基底(边长20mm)和紫铜片基底(边长20mm)进行清洗，之后在30℃低温烘干备用。
(2)工作电极的制备：将适量的武德合金(熔点70℃)置于紫铜片上，共同放入烘箱中加热到其熔点(70℃)，继续在此温度环境下，利用石英玻璃边缘将武德合金涂覆均匀，然后将多孔聚碳酸酯模板(圆形，孔径200nm，直径19mm)覆于武德合金上表面，同时保证所述多孔聚碳酸酯模板与所述武德合金有良好的接触，多孔聚碳酸酯模板的下表面可以被武德合金全部覆盖。取一根细铜线(直径0.8mm)，一端连接紫铜片背面，另一端连接电极夹。利用环氧树脂胶涂覆紫铜片背面及侧面，保证钴离子只能在多孔聚碳酸酯模板孔洞中沉积。
(3)多孔聚碳酸酯模板的孔洞润湿：将工作电极置于所述石英电解槽的电解液中，利用磁力搅拌仪对电解液进行搅拌3min，使所述电解液中的钴离子进入多孔聚碳酸酯模板孔洞之中。
(4)钴纳米线104及钴基底101的制备：电解液的组成为：0.63M/L的CoSO4 7H2O与0.65M/L的H3BO3，同时利用H2SO4调节溶液pH＝3。两电极体系是将铂片对电极和工作电极置于石英电解槽电解液中，两电极连接至电源，电源可以提供“正弦交流+恒压直流偏置”、“恒压直流”和“脉冲直流”等输出模式。利用数字多用表以监测沉积电流的变化情况，当钴纳米线在孔洞中沉积完成后，会继续在所述多孔聚碳酸酯模板上表面沉积，此时沉积电流会出现跃升。因此从沉积电流的变化情况可以得知纳米线的沉积情况。当钴纳米线104已经溢出所述多孔聚碳酸酯模板孔洞开始沉积，并相互之间连接形成所述钴基底101后，继续沉积直到钴基底101厚度达到5微米后停止沉积。
(5)纳米线104及钴基底101的转移：将沉积完成后的钴纳米线104及钴基底101从电解液中取出，低温烘干后，将钴基底101一侧涂覆少量导电银浆，将所述聚四氟乙烯基板置于导电银浆上方，在常温下放置12小时后钴基底101与聚四氟乙烯基板连接牢固，获得中间组合结构。
(6)移除紫铜片及洗除多孔聚碳酸酯模板：将上述中间组合结构放入装有300mL水的烧杯中，对中间组合结构进行水浴70℃加热，直至覆有武德合金的紫铜片脱落，获得最终组合结构。将所述最终组合结构置于100mL二氯甲烷中，洗除多孔聚碳酸酯模板，获得所述钴纳米线、所述钴基底、所述导电银浆和所述聚四氟乙烯基板连为的一体结构，形成一侧的聚四氟乙烯基板与钴纳米线阵列。
(7)与聚四氟乙烯基底103组合：在形成一侧的聚四氟乙烯基板与钴纳米线阵列后，另一侧的制备方式相同，构成基于聚四氟乙烯基板的双面钴纳米线阵列。
(8)经过激光切割，将双面钴纳米线阵列切割成800um×200um的长方形，最终获得多个磁性微纳驱动器。

Claims (1)

1.一种仿生草履虫的微纳驱动器，包括位于中间的聚四氟乙烯基底，在聚四氟乙烯基底的两面，分别通过导电银浆连接有钴基底。在两个钴基底的表面，均分布有钴纳米线阵列。
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