一种光压驱动纳米发动机及其驱动方法与流程

本发明属于纳米技术领域，尤其涉及一种光压驱动纳米发动机及其驱动方法。

背景技术：

纳米技术是21世纪发展最快、最高新的技术之一。纳米技术的兴起为生物医学领域注入了新鲜的血液，伴随着纳米技术日新月异的发展，纳米级机器人成为了当前科学界非常热门的研究课题。然而对纳米机器人的研发离不开对纳米级发动机的研究，在微观领域寻找开发的纳米发动机及其驱动方法是开发纳米机器人最重要的一部分。

目前国内外纳米发动机的研发尚处于开始阶段，人们寻找出许多驱动纳米发动机方法，其中研究较多的是化学驱动技术，主要体现在采用过氧化氢等物质在发动机内部分解反应释放气泡的原理推动纳米发动机前进。但由于自然界中很难找到合适的反应物(其特征包括无毒性、无害、无污染、易回收和降解)，所以该类纳米发动机的研发条件比较苛刻。而且由于化学方式驱动的纳米发动机主要是利用气泡释放来获得动力，而化学物质在纳米级空间内反应过程难以控制，所以受到化学反应不稳定性的影响很大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光压驱动纳米发动机及其驱动方法，本发明提供的纳米发动机可被激光驱动，驱动过程易于控制，且不会产生毒性物质，是一种安全、环保、高效率、稳定性好的纳米发动机。

本发明提供了一种光压驱动纳米发动机，包括机身和固定在所述机身上的若干个机翼；

所述机翼包括与所述机身相连接的机翼框架和覆盖在所述机翼框架上的镀铝膜。

优选的，所述机翼框架的形状为扇形；所述扇形的半径为100～1000nm；所述扇形的圆心角为80～120°。

优选的，所述镀铝膜的厚度为15～30nm。

优选的，所述镀铝膜的反射系数为0.8～0.95。

优选的，所述机翼框架由tio2纳米管围成，所述tio2纳米管的半径为5～20nm。

优选的，所述机身为空心结构，所述机身的壁厚为10～50nm。

优选的，所述机身的形状为旋转椭球体；所述旋转椭球体的长轴半径为100～140nm，短轴半径为60～90nm。

优选的，所述机翼与所述机身的长轴垂直。

优选的，所述机翼为多个，多个所述机翼位于同一平面上。

本发明提供了一种光压驱动纳米发动机的驱动方法，包括以下步骤：

将激光束垂直照射到上述技术方案所述的纳米发动机的机翼上，在所述机翼的表面形成光压，推动纳米发动机运动。

与现有技术相比，本发明提供了一种光压驱动纳米发动机及其驱动方法。本发明提供的纳米发动机包括机身和固定在所述机身上的若干个机翼；所述机翼包括与所述机身相连接的机翼框架和覆盖在所述机翼框架上的镀铝膜。本发明提供的纳米发动机设置有镀铝膜材质的机翼，其在被激光束照射时，会在机翼表面形成光压现象，在光压的推进作用下，纳米发动机可沿轨道高效、稳定地运行。本发明提供的纳米发动机可利用光压进行驱动，驱动过程中不会生成污染物，安全环保。而且该纳米发动机的动力大小可以通过改变激光束的强度来进行调控，控制比较简单方便，易于执行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的光压驱动纳米发动机的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的纳米发动机在激光束照射下的运动速度-时间图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种光压驱动纳米发动机，包括机身和固定在所述机身上的若干个机翼；

所述机翼包括与所述机身相连接的机翼框架和覆盖在所述机翼框架上的镀铝膜。

参见图1，图1是本发明实施例提供的光压驱动纳米发动机的结构示意图。图1中，1表示机身，2表示机翼框架，3表示镀铝膜。

本发明提供的光压驱动纳米发动机包括机身1和若干个机翼。其中，机身1的形状优选为旋转椭球体，可有效降低纳米发动机运动过程中受到的摩擦力。在本发明提供的一个实施例中，所述旋转椭球体的长轴半径优选为100～140nm，具体可为100nm、105nm、110nm、115nm、120nm、125nm、130nm、135nm或140nm；所述旋转椭球体的短轴半径优选为60～90nm，具体可为60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm或90nm。在本发明提供的一个实施例中，机身1为空心结构，机身1的壁厚优选为10～50nm，具体可为10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm或50nm。在本发明提供的一个实施例中，机身1的材料为sio2纳米材料，该材料具有无毒、无味、无污染、可塑性良好的特性，同时具有高磁阻性和低热导性等优点。在本发明提供的一个实施例中，材料为sio2纳米材料的机身1可采用模板法制备得到。

在本发明中，若干个所述机翼固定在机身1上，所述固定的方式优选为激光局部加热固定。在本发明提供的一个机身1的形状为旋转椭球体的实施例中，所述机翼与机身1的长轴垂直。在本发明提供的一个机身1的形状为旋转椭球体且机翼与机身1的长轴垂直的实施例中，所述机翼为多个，具体可为2个、3个或4个，多个所述机翼位于同一平面上。

在本发明中，所述机翼包括机翼框架2和镀铝膜3。其中，机翼框架2与机身1相连接。在本发明提供的一个实施例中，机翼框架2的形状为扇形；所述扇形的半径优选为100～1000nm，具体可为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm、950nm或1000nm；所述扇形的圆心角优选为80～120°，具体可为80°、85°、90°、95°、100°、105°、110°、115°或120°。在本发明提供的一个实施例中，机翼框架2由tio2纳米管围成，所述tio2纳米管的半径优选为5～20nm，具体可为5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、18nm、19nm或20nm。在本发明提供的一个实施例中，所述tio2纳米管以多孔阳极氧化铝作为主体模板，采用溶胶-凝胶的法制备得到。

在本发明中，镀铝膜3覆盖在机翼框架2上。在本发明提供的一个实施例中，镀铝膜3的厚度优选为15～30nm，具体可为15nm、16nm、17nm、18nm、19nm、20nm、21nm、22nm、23nm、24nm、25nm、26nm、27nm、28nm、29nm或30nm。在本发明提供的一个实施例中，镀铝膜3的反射系数优选为0.8～0.95，具体可为0.8、0.81、0.82、0.83、0.84、0.85、0.86、0.87、0.88、0.89、0.9、0.91、0.92、0.93、0.94或0.95。在本发明提供的一个实施例中，镀铝膜3具体为镀铝pet膜，其具有较高的阻隔性能和耐热性能。在本发明提供的一个实施例中，所述镀铝pet膜按照以下方法制备得到：在对苯二甲酸乙二醇酯(pet)膜的表面蒸镀铝，得到镀铝pet膜。

本发明提供的纳米发动机设置有镀铝膜材质的机翼，其在被激光束照射时，会在机翼表面形成光压现象，在光压的推进作用下，纳米发动机可沿轨道运行。本发明提供的纳米发动机可利用光压进行驱动，至少具有如下优点：

1)在激光照射状态下，纳米发动机能源源不断地提供稳定的动能，纳米发动机可以持续工作较长时间；

2)纳米发动机的动力大小可以通过改变激光束的强度来进行调控，控制比较简单方便；

3)相较于传统的化学能驱动的纳米发动机，本发明提供的纳米发动机的工作时长得到明显增加，大大提高纳米发动机的工作效率；

4)在合理使用条件和正确使用方法下，纳米发动机有较长的使用寿命，一般不会出现故障；纳米发动机使用完毕易于回收，可以进行循环利用，制作成本和使用成本降低。

5)纳米发动机在使用过程中，不会生成污染物，安全环保。

本发明还提供了一种光压驱动纳米发动机的驱动方法，包括以下步骤：

将激光束垂直照射到上述技术方案所述的纳米发动机的机翼上，在所述机翼的表面形成光压，推动纳米发动机运动。其中，所述激光束的发射波长优选为488nm～780nm，具体为488nm、514nm、543nm、633nm、650nm、694nm、714nm、760nm、780nm。

本发明提供的驱动方法的工作原理如下：

采用激光发射的光束由大量的光子构成，根据爱因斯坦的光子理论可知，光子没有静态质量，但是其具有能量(e＝hv＝mc²，其中，h为普朗克常量，v为光的频率，m为光子的运动质量，c为光子在真空中的速度)。根据光的量子论观点,光子具有的动量(p＝hv/c)，当激光发射光束照射到纳米发动机机翼表面时，光子的动量会发生改变,即把动量传递给了机翼，因此光子受到了机翼的作用力。根据牛顿作用力与反作用力的原理,光子也将对机翼施加一个大小相同方向相反的作用力。

采用外部激光发射频率为v的单色光波垂直照射于纳米发动机机翼，每一个光子的能量是hv，在单位时间1s内平均射入单位面积的光子数为n，当光子被纳米发动机机翼吸收时，每个光子传给机翼的动量为hv/c。当光子在机翼发生反射时,每个反射光子传给机翼的动量为2hv/c。本纳米发动机的机翼采用反射系数为r的镀铝pet聚酯薄膜作为材料，因此在单位时间内1s内照射单位机翼表面，在机翼表面产生的光压大小为：

由于光束的入射方向与机翼水平方向保持垂直，可以得出激光束作用于面积为s的机翼产生的作用力大小为f＝△ps。

本发明提供的驱动方法利用先进的光压推进技术将光能转化为纳米发动机运动所需的机械能，该方法至少具有如下优点：

1)在激光照射状态下，可为纳米发动机能源源不断地提供稳定的动能，使纳米发动机可以持续工作较长时间；

2)可以通过改变激光束的强度来调控纳米发动机的动力大小，控制比较简单方便；

3)相较于传统的化学能驱动方法，本发明提供的驱动方法可明显增加纳米发动机的工作时长，大大提高纳米发动机的工作效率；

4)驱动纳米发动机的过程中，不会生成污染物，安全环保。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

实施例1

本实施例提供了一种如图1所示结构的光压驱动纳米发动机，包括旋转椭球体形的空心机身1；和固定在机身1上的两个机翼，两个机翼的尺寸相同，包括固定在机身1上的机翼框架2和覆盖在机翼框架2上的镀铝pet膜3；两个机翼均与机身1的长轴垂直，且位于机身1的短轴截面上。

在本实施例中，机身1的材料为sio2纳米材料，厚度为30nm；机身1的长轴半径为120nm，短轴半径为80nm，扁率α约为0.33。

在本实施例中，机翼框架2的形状为扇形，扇形的半径为500nm，扇形的圆心角为100°；机翼框架2由tio2纳米管围成，tio2纳米管的半径为10nm。

在本实施例中，镀铝pet膜3的厚度为20nm，反射系数r为0.85。

在本实施例中，机身1按照以下方法制备得到：27℃下选用正硅酸乙酯(teos)作为硅源，酒石酸作为模板剂，将一定质量的稳定剂聚乙烯吡咯烷酮(pvp)加入到氨水和乙醇混合溶液中，充分搅拌均匀得到混合溶液，将teos加入酒石酸溶液中，不断搅拌下，迅速加入到混合溶液中，静置。将所得沉淀物离心、洗涤、干燥、煅烧得到，机身1。

在本实施例中，所述tio2纳米管以多孔阳极氧化铝作为主体模板，采用溶胶-凝胶的法制备得到。

在本实施例中，镀铝pet膜3按照以下方法制备得到：

以对苯二甲酸乙二醇酯(pet)作为原料，乙酸和甲烷按一定比例混合作为有机溶剂，利用静电纺丝技术得到相应尺寸的pet薄膜。在真空(10～5pa)以上、28℃下，将pet薄膜置于蒸镀机真空室内，升高温度至1300～1400℃，然后再把高纯度的铝丝连续送至蒸发舟上，使气态铝微粒在移动的薄膜基材表面沉积，冷却即形成一层连续而光亮的金属铝层，得到镀铝pet膜。

纳米发动机的使用情况评价：

在模拟温度为37℃的运行环境下，在内部为10^-4pa的低真空密闭空间中用外部激光发射波长为488nm～760nm的光束垂直照射于纳米发动机机翼。纳米发动机启动完成后，采用激光光压能量计测量产生的光压，通过不断改变发射激光强度来控制纳米发动机的运动速率，采用高精度扫描电子显微镜观测该纳米发动机的运行情况，进行数据记录分析。

在上述环境条件下，纳米发动机在每个波长时间段内的运动可以基本描述为一个匀速运动过程，改变入射光波长，会形成短暂的加速或减速过程。在起始时刻t0至t1时刻，采用波长为633nm、光强度3.8lw/m*m的光波入射，纳米发动机处于缓慢加速阶段，纳米发动机的速度从0持续增加至稳定运行。在t1时刻观测到纳米发动机的运动速率为v＝0.6μm/s。在t1-t2时间段内，不改变纳米发动机速度可描述为匀速运动，此时纳米发动机运动速率趋于稳定。在t2-t3时间段内，改变入射光波长为514nm，纳米发动机运动速度增加至稳定运行，此时观测到纳米发动机的运动速率为v＝0.82μm/s。然后不断改变入射波长与光强度，运动图像如图2。

在纳米发动机的整个运动过程中，可以维持相对稳定、连续的运动，在运动过程中纳米发动机不存在翻滚、骤停等现象，保持一定的运动轨迹。

实施例2

本实施例提供了一种如图1所示结构的光压驱动纳米发动机，包括旋转椭球体形的空心机身1；和固定在机身1上的两个机翼，两个机翼的尺寸相同，包括固定在机身1上的机翼框架2和覆盖在机翼框架2上的镀铝pet膜3；两个机翼均与机身1的长轴垂直，且位于机身1的短轴截面上。

在本实施例中，机身1的材料为sio2纳米材料，厚度为30nm；机身1的长轴半径为120nm，短轴半径为80nm，扁率α约为0.33。

在本实施例中，机翼框架2的形状为扇形，扇形的半径为600nm，扇形的圆心角为120°；机翼框架2由tio2纳米管围成，tio2纳米管的半径为10nm。

在本实施例中，镀铝pet膜3的厚度为20nm，反射系数r为0.85。

在本实施例中，机身1按照以下方法制备得到：27℃下选用正硅酸乙酯(teos)作为硅源，酒石酸作为模板剂，将一定质量的稳定剂聚乙烯吡咯烷酮(pvp)加入到氨水和乙醇混合溶液中，充分搅拌均匀得到混合溶液，将teos加入酒石酸溶液中，不断搅拌下，迅速加入到混合溶液中，静置。将所得沉淀物离心、洗涤、干燥、煅烧得到，机身1。

在本实施例中，所述tio2纳米管以多孔阳极氧化铝作为主体模板，采用溶胶-凝胶的法制备得到。

在本实施例中，镀铝pet膜3按照以下方法制备得到：

以对苯二甲酸乙二醇酯(pet)作为原料，乙酸和甲烷按一定比例混合作为有机溶剂，利用静电纺丝技术得到相应尺寸的pet薄膜。在真空(10～5pa)以上、28℃下，将pet薄膜置于蒸镀机真空室内，升高温度至1300～1400℃，然后再把高纯度的铝丝连续送至蒸发舟上，使气态铝微粒在移动的薄膜基材表面沉积，冷却即形成一层连续而光亮的金属铝层，得到镀铝pet膜。

纳米发动机的使用情况评价：

在模拟温度为37℃的运行环境下，在内部为10^-4pa的低真空密闭空间中用外部激光发射波长为488nm～760nm的光束垂直照射于纳米发动机机翼。纳米发动机启动完成后，采用激光光压能量计测量产生的光压，通过不断改变发射激光强度来控制纳米发动机的运动速率，采用高精度扫描电子显微镜观测该纳米发动机的运行情况，进行数据记录分析。

在上述环境条件下，纳米发动机在每个波长时间段内的运动可以基本描述为一个匀速运动过程，改变入射光波长，会形成短暂的加速或减速过程。在起始时刻t0至t1时刻，采用波长为633nm、光强度4.0lw/m*m的光波入射，纳米发动机处于缓慢加速阶段，纳米发动机的速度从0持续增加至稳定运行。在t1时刻观测到纳米发动机的运动速率为v＝0.85μm/s。在t1-t2时间段内，不改变纳米发动机速度可描述为匀速运动，此时纳米发动机运动速率趋于稳定。在t2-t3时间段内，改变入射光波长为514nm，纳米发动机运动速度增加至稳定运行，此时观测到纳米发动机的运动速率为v＝1.2μm/s。然后不断改变入射波长与光强度，运动图像如图2。

在纳米发动机的整个运动过程中，可以维持相对稳定、连续的运动，在运动过程中纳米发动机不存在翻滚、骤停等现象，保持一定的运动轨迹。

实施例3

本实施例提供了一种如图1所示结构的光压驱动纳米发动机，包括旋转椭球体形的空心机身1；和固定在机身1上的两个机翼，两个机翼的尺寸相同，包括固定在机身1上的机翼框架2和覆盖在机翼框架2上的镀铝pet膜3；两个机翼均与机身1的长轴垂直，且位于机身1的短轴截面上。

在本实施例中，机身1的材料为sio2纳米材料，厚度为30nm；机身1的长轴半径为120nm，短轴半径为80nm，扁率α约为0.33。

在本实施例中，机翼框架2的形状为扇形，扇形的半径为500nm，扇形的圆心角为100°；机翼框架2由tio2纳米管围成，tio2纳米管的半径为10nm。

在本实施例中，镀铝pet膜3的厚度为20nm，反射系数r为0.95。

在本实施例中，机身1按照以下方法制备得到：27℃下选用正硅酸乙酯(teos)作为硅源，酒石酸作为模板剂，将一定质量的稳定剂聚乙烯吡咯烷酮(pvp)加入到氨水和乙醇混合溶液中，充分搅拌均匀得到混合溶液，将teos加入酒石酸溶液中，不断搅拌下，迅速加入到混合溶液中，静置。将所得沉淀物离心、洗涤、干燥、煅烧得到，机身1。

在本实施例中，所述tio2纳米管以多孔阳极氧化铝作为主体模板，采用溶胶-凝胶的法制备得到。

在本实施例中，镀铝pet膜3按照以下方法制备得到：

以对苯二甲酸乙二醇酯(pet)作为原料，乙酸和甲烷按一定比例混合作为有机溶剂，利用静电纺丝技术得到相应尺寸的pet薄膜。在真空(10～5pa)以上、28℃下，将pet薄膜置于蒸镀机真空室内，升高温度至1300～1400℃，然后再把高纯度的铝丝连续送至蒸发舟上，使气态铝微粒在移动的薄膜基材表面沉积，冷却即形成一层连续而光亮的金属铝层，得到镀铝pet膜。

纳米发动机的使用情况评价：

在模拟温度为37℃的运行环境下，在内部为10^-6pa的高真空密闭空间中用外部激光发射波长为488nm～760nm的光束垂直照射于纳米发动机机翼。纳米发动机启动完成后，采用激光光压能量计测量产生的光压，通过不断改变发射激光强度来控制纳米发动机的运动速率，采用高精度扫描电子显微镜观测该纳米发动机的运行情况，进行数据记录分析。

在上述环境条件下，纳米发动机在每个波长时间段内的运动可以基本描述为一个匀速运动过程，改变入射光波长，会形成短暂的加速或减速过程。在起始时刻t0至t1时刻，采用波长为633nm、光强度5.8lw/m*m的光波入射，纳米发动机处于缓慢加速阶段，纳米发动机的速度从0持续增加至稳定运行。在t1时刻观测到纳米发动机的运动速率为v＝1μm/s。在t1-t2时间段内，不改变纳米发动机速度可描述为匀速运动，此时纳米发动机运动速率趋于稳定。在t2-t3时间段内，改变入射光波长为514nm，纳米发动机运动速度增加至稳定运行，此时观测到纳米发动机的运动速率为v＝1.2μm/s。然后不断改变入射波长与光强度，运动图像如图2。

在纳米发动机的整个运动过程中，可以维持相对稳定、连续的运动，在运动过程中纳米发动机不存在翻滚、骤停等现象，保持一定的运动轨迹。

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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。