一种基于液态金属的磁控马达、制造方法及其应用
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及流体机械领域，具体涉及一种基于液态金属的磁控马达、制造方法及其应用。
【背景技术】
[0002]微小物体的运动在未来的工业、环境治理以及生物医学应用等领域有着极大的应用前景。现在主要研究的应用主要集中在药物递送、传感检测等方面，如有研究利用微小物体的自驱动运动进行捕获与分离肿瘤细胞，也有研究将微小物体的表面进行化学修饰，标记抗体，进行抗原检测，或者标记含有ATP与α -凝血酶的配体，使其具有选择性装载蛋白，然后运动至靶向位置进行释放。这些微小物体的运动使得其相应的应用不再完全限于空间某一位置，因而更具实际意义。
[0003]近年来，多种驱动微小物体的运动方式已被广泛研究，如采用电场、磁场、光、超声、温度梯度等方法进行驱动或控制运动。这些运动依靠外界供能，部分能量转化为动能，因而其运动具有很好的可控性，自损耗性相对较小，寿命得以延长。但是，这些微小物体的运动必须在外部能量供应器械存在的情况下才能实现，而这些能量供应器械的存在使得整个运动实现体系所需空间增大。再者，用外部能量供应的方式驱动微小物体的运动，会限制微小物体运动应用范围。如若想应用拓展到生物体上，所引入的电场强度不能过大，否则易诱发不安全因素，但不够强的电场又可能无法驱动微小物体的运动。再如，采用光来触发或实现微小的物体的运动，则需考虑若光无法直射或者沿程衰减的情景，进而也限制其应用范围。综合考虑，采用磁场或者超声等方式为微小物体的运动提供能量，是一种较为稳妥的方法，可得微小物体的运动具有更好的实用性。
[0004]除了上述靠外部能量供应来实现微小物体的驱动运动外，现在很多研究开始聚焦于微纳尺度下的人工合成马达(也有称之为微型发动机、微型机器、微型运输机等等)，此类马达可以自驱动运动，即不再需要外部的能量供应即可运动。现今研究出的各种自驱动马达，仍有许多方面需要加以改进，才能提升或扩展其应用价值。比如，许多的自驱动运动的可控性不高，多为随机运动，因而运动轨迹定向性不好，使得马达不能按需到达目标位置。此外，微纳尺度下的马达的运动速度虽相对于其自身体长而言足够快，但是，其实际相对于宏观环境而言却很小，多在微米量级。因而，在长距离的运输方面则会有耗时过长或寿命不足等问题。再者，马达的大小在微纳尺度下，则其携载能源物质的能力非常有限，进而其运动寿命很短，多为几秒钟到几分钟，这使得其能完成的使命都是简单而短暂的，而对于复杂度稍高的任务则无用武之地。
[0005]为解决上述微小物体的运动或自驱动运动所面临的各种问题，一方面考虑将物体尺寸增大，另一方面采用外加磁场进行控制是较为科学的办法。其中，增加物体的尺寸，可以增强其供能原料的携载能力，可以解决其寿命短以及绝对运动速度低等问题。而外磁场不仅可以驱动其运动，还可以采用外磁场控制自驱动运动的轨迹或起止，可以解决自驱动运动的可控性问题，而且磁场可在微小物体自驱动运动耗完能源材料后驱动其继续运动，最终完成任务。
[0006]因而，若能实现微小物体即可自驱动运动，又可通过外磁场来进行控制或驱动，则将拓展微小物体运动的范围，更具有实际意义。本发明则提出一种可行的磁控基于液态金属的马达的设计方法。并在此基础上设计一系列相关的实际应用，以增强其实际应用价值。此种小型磁控液态金属马达的相关技术从未见于文献和专利。
【发明内容】
[0007]为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供基于液态金属的磁控马达、制造方法及其应用，使得马达的驱动运动在不依赖外界能量的供给的前提下，具有高度可控性，且马达的设计与控制简单易行，填补了自体供应能量驱动物体运动可控性的空白，具有极大的自主能动性以及可控性。
[0008]为达到这些目的，本发明采用的技术方案如下:
[0009]—种基于液态金属的磁控马达，包括液态金属2，电镀在液态金属2部分表面的镍层3ο
[0010]所述液态金属2采用在室温条件下具有流动性的液态金属或合金材料，包括镓或镓铟或镓铟锡合金，通过不同的配比使其在室温下呈液体状态，便于取用，其用量根据需要从 10 μ L ?1000 μ L0
[0011]所述部分表面为液态金属2表面的1/5?1/2。
[0012]上述所述基于液态金属的磁控马达的制造方法，首先，将一定量的液态金属材料在镀镍溶液中用电化学工作站在液态金属2表面部分区域镀上一层镍层3，形成磁控小马达；磁控马达的液态金属在水溶液中与铝反应获得自驱动运动能力；具体方法为:将一定量的液态金属材料置于镀镍溶液中，用电化学工作站在-1.0V(3Μ KCl Ag/AgCl)将液态金属材料表面镀镍600s至液态金属材料的部分表面覆有一层镍薄层，即形成基于液态金属的磁控小马达；然后将镀好镍的磁控小马达取出，用去离子水清洗后，置于水溶液中，用镊子夹去一小片招猜与液态金属材料接触至液态金属材料被招片吸附，然后招被腐蚀，集中至镍层3附近，镍层3表面产生大量气泡，随即含镍的液态金属开始自驱动运动。这种运动可加上电场，使得运动更为高效快速。此外，这种运动可受外部磁场的控制，从而改变运动轨迹、控制液态金属运动起止位置，且当铝燃料被消耗完后，液态金属还可用磁场引导其继续运动，直至运动到达预期位置。
[0013]所述镀镍溶液采用10?30g/L氯化镍、300?400g/L氨基磺酸镍、30?40g/L硼酸混合而成，在PH为3?5，温度在30?50°C，_1.0V，Ag/AgCl，3M KCl条件下在液态金属部分表面镀镍300?600s。
[0014]所述水溶液3采用HCl溶液和NaCl溶液中的一种或两种溶液的混合，或者NaOH溶液、Na2CO3溶液和NaCl溶液中的一种或多种溶液的混合，浓度在0.lmol/L?0.3mol/L范围内。溶液浓度过低会使发生的反应速度不够快，自驱动运动不足，浓度过高则会引起反应过快，铝消耗过快则会缩短其运动寿命。
[0015]上述所述的基于液态金属的磁控马达用于传感检测或药物控释，在所述磁控小马达的表面镍层上聚合一层高分子薄膜；所述高分子薄膜采用能够在磁控马达的镍层表面进行电聚合形成电化学传感或者药物控释的材料；高分子薄膜在样品溶液中可通过自身基团共价结合待测物质，然后用一小片铝接触磁控小马达液体金属部位，触发磁控小马达运动；在外磁场作用下将磁控小马达牵引至特定位置，撤去外磁场，磁控小马达自驱动运动前进至目标位置，将待测物质从环境溶液中分离出来，集中进行检测；高分子材料也可为热敏性材料，在较低温度的环境溶液中吸入药物后，用一接触磁控小马达液体金属部位，触发磁控小马达运动；在外磁场作用下将磁控小马达牵引至特定位置，撤去外磁场，磁控小马达自驱动运动前进至温度稍高的目标位置，药物在高温刺激下释放，进而达到药物控释目的。
[0016]所述能够在磁控马达的镍层表面进行电聚合形成电化学传感的材料为基于苯硼酸及其衍生物在液态金属表面的镍表层电聚合形成糖化学传感器，利用苯硼酸与糖分子可逆结合形成共价键，从而识别检测糖类分子以及细胞壁上含糖分子的细胞，如酵母细胞，然后通过液态金属的运动进行分离所检测的物质。或为聚合聚异丙基丙烯酰胺用于药物控释的高分子热敏性材料。
[0017]上述所述的基于液态金属的磁控马达用于分离检测样品，在所述磁控小马达的表面镍层上喷溅一层金薄层后再修饰不同功能基团，功能基团与样品溶液中的待测物质结合后，用一小片铝接触磁控小马达液体金属部位，触发马达运动；在外磁场作用下将磁控小马达牵引至特定位置，撤去外磁场，磁控小马达自驱动运动前进至目标位置，将待测物质从样品溶液中分离出来，集中进行检测；所述功能基团为在磁控小马达上的金薄层上采用常用的表面活性剂、氨基或巯基化合物，或者是修饰了氨基或巯基的DNA探针物质进行表面修饰形成的功能化基团，通过磁控小马达的运动进行分离检测蛋白、细胞、抗体、抗原和核酸生物活性物质。这些基团可以在金表面形成稳定的化学键，并与相应的酶、抗体蛋白、肿瘤细胞、核酸等物质特异性结合，将所结合的物质通过自驱动运动运送到特定位置进行分离检测。
[0018]上述所述的基于液态金属的磁控马达用于检测分析，将所述磁控小马达磁化后用于吸附功能化磁性颗粒用于检测分析；所述功能化磁性颗粒采用外包覆一层高分子材料如聚氯乙烯、聚苯胺、聚苯乙烯、或聚乙烯亚胺的磁性微球(如Fe3O4或γ-Fe 203)，或表面聚合一层可电化学传感或药物控释的高分子薄膜的磁性微球，或喷射金薄层后修饰不同功能基团的磁性微球；这些磁性微