一种用于净水的磁驱微米马达及其制备方法与流程

本发明属于微纳器件制备技术领域，具体涉及一种用于净水的磁驱微米马达及其制备方法。

背景技术：

微米马达是一类人工合成具有微米尺度结构的动力机械，它可将外部能量转换成机械功输出获取动力，进而实现三维空间中的自主运动。相较于宏观机械马达，微米马达最显著的特征是结构尺度微小，因此其可在有限空间内实现物质输运、信息采集、能量传递等实用功能。从驱动能量来源角度划分，微米马达一般可分为物理场驱动（磁场、光场、热梯度、超声场等）和生化反应驱动（气泡驱动、催化驱动、酸碱梯度驱动等）两大类。其中，磁场由于其矢量性、参数可控、非接触等优异特性而成为了最具潜力的微米马达驱动手段之一。近年来，有研究表明，旋转磁场可有效具有螺旋形状的磁性结构运动。通过调节旋转磁场的频率、旋转方向、场强等参数，可以对螺旋磁体的运动速度、方向等进行精确控制。这些研究进一步推动了以螺旋型为代表构型的磁驱动微米马达的发展与应用。

水是生物体最为重要的组成部分，也是包括人类在内的所有生命生存的重要资源。从自然界中提取洁净水已经成为关系人类社会发展中的一项重要工作。自来水厂通常经过混凝、反应、沉淀、过滤、消毒等工序对水源进行处理，而后才能为社会工业生产和人类日常生活提供较为清洁的用水。对于长期远离工业社会从事野外工作的人员而言，获取洁净水更是事关生命健康与安全的重要工作。利用便携式净水装置就地过滤水是目前最便捷的野外获取洁净水的方法。基于此，若能开发一种具备一定功能部件的磁驱微米马达，利用其便捷地实现净水，不仅可为工业上生成洁净水提供新策略，也可为家用净水过滤、野外净水等非工业生产提供有效方案，具有十分重要的应用价值。而目前国内尚未发现可实现类似功能的微米马达。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于净水的磁驱微米马达及其制备方法，可实现对水体杀菌、除污，进而实现水体净化功能。

本发明的技术方案为：一种用于净水的磁驱微米马达，包括带有尖端的软磁性螺旋体；螺旋体外包覆一层二氧化硅层，并且螺旋体尖端暴露于二氧化硅层外；二氧化硅层外镶嵌具有杀菌作用的银纳米颗粒；二氧化硅层远离螺旋体尖端的一端连接有具备微孔道结构的介孔硅，介孔硅表面经过化学修饰呈现正电性。

介孔硅表面的孔道直径为5纳米至10微米。

一种用于净水的磁驱微米马达的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在无机基片上利用旋转溅射的方法制备带尖端的螺旋体；

步骤2、在螺旋体表面包覆一层二氧化硅层；

步骤3、在二氧化硅层上原位生长银纳米颗粒；

步骤4、在二氧化硅层远离螺旋体尖端的一端生长一段介孔硅；

步骤5、介孔硅表面嫁接阳离子基团，将介孔硅表面电性改为正电性。

步骤1中，在无机基片上利用旋转溅射的方法制备带尖端的螺旋体的方法为：首先在无机基片上涂覆一单层磁珠；然后以80度 ~87度射角固定基片，以软磁材料为靶材，在超真空环境中开展磁控溅射，在溅射过程中基片绕其表面法线方向旋转，调节旋转角速度，调控螺旋体螺距，待其生长完毕，取出基片，表面用浓硝酸反复擦拭，以腐蚀出螺旋体尖端。

步骤2中，在螺旋体表面包覆一层二氧化硅层的方法为：将生长有尖端螺旋体阵列的基片浸入10-100毫升多环芳香烃，微弱超声0.5-2小时；将基片取出，用去离子水清洗，而后将基片浸入10毫升聚乙烯吡咯烷酮中振荡30分钟后将基片取出，用去离子水清洗，最后将基片浸入10-100毫升氨水中，并加入50-500 微升硅酸乙酯，超声2-10小时后将基片取出，用无水乙醇清洗，备用。

步骤3中，在二氧化硅层上原位生长银纳米颗粒的方法为：将包覆了二氧化硅的螺旋体阵列浸入5-20毫升硝酸银溶液中，加入0.1-0.1克柠檬酸三钠、0.1-0.1克聚乙烯吡咯烷酮和10-100毫升聚乙二醇，在40℃水浴加热10-100分钟后，滴加10-100毫升硼氢化钠，原位还原生长银纳米粒子，随后继续加热10-100分钟，取出基片，用无水乙醇与去离子水清洗，再用强力超声2-10小时，令所有微结构从基片上脱落，将制备的微结构分散于去离子水中，备用。

步骤4中，将微结构分散于十六烷基三甲基溴化铵、氨水、水和硅酸乙酯混合液中，水浴加热40℃，并搅拌4小时，即可生长出介孔硅形成微米马达，通过调节十六烷基三甲基溴化铵、氨水、水和硅酸乙酯的比例来控制介孔硅中介孔大小。

步骤5中介孔硅表面嫁接阳离子基团，将介孔硅表面电性改为正电性的方法为：将微米马达分散至10-500毫升氨丙基三甲氧基硅烷与10-500毫升去离子水混合溶液中，水浴40℃，并摇晃2-20小时，磁性分离，无水乙醇与去离子水清洗，可获得表面为正电性的微米马达。

所述步骤5中嫁接的用于改变电性的阳离子基团采用共价化学键或静电吸附的方式与介孔硅表面相连接。

将磁驱微米马达分散于需要净化的水体中，在水罐上方设置上磁片，水罐下方设置下磁片，上磁片和下磁片形成的永磁对，永磁对绕水罐轴线旋转，进而产生旋转磁场，从而驱动微米马达，令水罐在水体中自主运动，此时螺旋体头部尖端可用于破碎行进中破碎大颗粒物质；体表银纳米粒子在溶液中释放出银离子，可用于抑制或杀灭水体细菌与微生物；其介孔硅的多孔结构可用于吸附水体中的微小颗粒物；表面正电可用于吸附水体中多种有机物或带负点的污染物；净水完毕，撤出上磁片，利用下磁片体可将微米马达沉淀分离出溶液体中，这就可以从水罐上端出水口获取洁净水。

本发明提供的的有益效果如下：本微米马达可以利用外磁场无接触操控，可以避免接触操控而给水体带来的二次污染；微米马达的螺旋体头部尖端可用于行进中破碎大颗粒物质；微米马达行进过程中可释放银离子，具有杀灭细菌与微生物的功能；微米马达具携带的介孔硅具有多孔结构，可以吸附水体中的污染颗粒；微米马达表面为正电性，而水体中多数污染物带负电性，可以被其吸附；微米马达具有磁性，因此，易被永磁体沉降分离出溶液体系。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的用于净水的磁驱微米马达结构示意图；

图2为本发明的用于净水的磁驱微米马达制备流程图；

图3为本发明的磁驱微米马达净水处理应用示意图。

具体实施方式

实施例：

如图1所示，一种用于净水的磁驱微米马达，包括带有尖端的软磁性螺旋体1；螺旋体1外包覆一层二氧化硅层2，并且螺旋体1尖端暴露于二氧化硅层2外；二氧化硅层2外镶嵌具有杀菌作用的银纳米颗粒3；二氧化硅层2远离螺旋体1尖端的一端连接有具备微孔道结构的介孔硅4，介孔硅4表面经过化学修饰呈现正电性。介孔硅表面的孔道直径为5纳米至10微米。

如图2所示，本发明的一种用于净水的磁驱微米马达的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在无机基片5上利用旋转溅射的方法制备带尖端9的螺旋体1：在玻璃基片5上首先涂覆一单层半径为3微米、间距为5微米的磁珠6，以87度射角固定基片5（射角为基片法线7与水平面夹角），以软磁材料为靶材，在超真空环境中开展磁控溅射，靶材溅射方向8垂直于水平面，溅射速率为0.3纳米/秒，为了生长出螺旋体1结构，并且在溅射过程中，基片5以其中心法线7为轴线以0.2转/分钟的角速度旋转，此时可以通过调节旋转角速度，调控螺旋体1螺距，待其生长完毕，取出基片5，表面用浓硝酸（浓硝酸体积比30%）反复擦拭，以腐蚀出螺旋体尖端9。

步骤2、在步骤1制备的螺旋体1表面包覆一层二氧化硅层2，其方法为：将阵列的基片5浸入50毫升多环芳香烃（PAH，30毫克/毫升），微弱超声1小时后，将基片5取出，用去离子水清洗2次，而后将基片5浸入100毫升聚乙烯吡咯烷酮（PVP，40毫克/毫升），振荡30分钟，再将基片5取出，用去离子水清洗2次，而后将基片5浸入50毫升氨水（体积比30%）中，加入500 微升硅酸乙酯（TEOS），超声8小时后，将包覆了二氧化硅层2螺旋体1生长基片5取出，用无水乙醇清洗，备用。

步骤3、在二氧化硅层2上原位生长银纳米颗粒3，其方法为：将包覆了二氧化硅的螺旋体1阵列浸如10毫升硝酸银溶液（1摩尔/升）中，并其溶液中加入0.4克柠檬酸三钠、0.2克聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和30毫升聚乙二醇，随后40℃水浴加热20分钟，再滴加30毫升（2摩尔/升）硼氢化钠，原位还原生长银纳米粒子12，而后继续加热30分钟，取出基片5，用无水乙醇与去离子水清洗，最后用强力超声5小时，令所有微结构从基片5上脱落，将制备的微结构分散于去离子水中，备用。

步骤4、在二氧化硅远离螺旋体1尖端的一端生长一段介孔硅4，其方法为：将微结构分散于十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、氨水（体积比20-40%）、水和硅酸乙酯混合液中，水浴加热40℃，搅拌4小时，即可生长出介孔硅4形成微米马达，这时可以通过调节CTAB、NH3·H2O、H2O和TEOS的比例，来控制介孔硅4中孔道大小，本例中比例为CTAB：NH3·H2O：H2O：TEOS = 100：10：1000：0.8，孔径约为400-900纳米。

步骤5、在介孔硅4表面嫁接阳离子基团，将介孔硅4表面电性改为正电性，其方法为：将微米马达18分散至100毫升氨丙基三甲氧基硅烷（APTMS）与100毫升去离子水混合溶液中以40℃水浴，摇床摇晃5小时，经过磁性分离，无水乙醇与去离子水清洗，可获得表面氨基化的微米马达18，表面电位约为+30 毫伏。

如图3所示，本发明的磁驱微米马达18应用于水净化的过程为：将制备的磁驱微米马达18分散于需要净化的水体中，在水罐上方设置上磁片16，水罐下方设置下磁片19，上磁片16和下磁片19形成的永磁对，永磁对绕水罐轴线旋转，进而产生旋转磁场，从而驱动微米马达18，令水罐在水体中自主运动，此时螺旋体1头部尖端9可用于破碎行进中破碎大颗粒物质；体表银纳米粒子12在溶液中释放出银离子，可用于抑制或杀灭水体细菌与微生物；其介孔硅4的多孔结构可用于吸附水体中的微小颗粒物；表面正电可用于吸附水体中多种有机物或带负点的污染物；净水完毕，撤出上磁片16，利用下磁片19体可将微米马达18沉淀分离出溶液体中，这就可以从水罐上端出水口17获取洁净水。以此原理为基础，该磁驱微米马达18在工业废水处理，家用净水滤芯，便携式野战净水装置等领域具有重要的应用价值。