半导体微纳米粒子定向运动控制方法与流程

本发明属于微纳米马达技术领域，涉及一种半导体微纳米粒子定向运动控制方法。

背景技术：

人工微纳米马达是微纳米机器中的重要一部分，它们可以在液体环境中实行各种任务，比如药物运输，细胞分离，光刻或者环境治理(Chem.Rev.2014,114,6285；ACSApplied Materials&Interfaces 2014,6,9897；Nat Commun 2014,5.)。为了实现微纳米马达的自驱动，必须要在它们附件构建非对称场，包括浓度梯度场，非对称气泡释放等。为了构建这些非对称场，往往需要复杂的微纳米结构，比如双面神纳米棒、微球，微米管等(Chem.Rev.2015,115,8704.)。这些复杂的微纳米结构往往比较难以获得。更重要的是，由于微纳米马达的尺寸很小，它们在液体中难免受到布朗运动或者局部液体扰动的影响(Small2010,6,338)。同时由于它们结构的非对称性，当微纳米马达受到外界影响而转动后，其推进力的方向会不断变化。因此，传统的微纳米马达一般只能呈现曲线或者无规运动，除非有磁场，重力场，流体场等外场对其运动方向进行控制(J.Am.Chem.Soc.2013,135,15978；Nat Commun 2014,5；Science Advances2015,1)。但是即使有着这些外场控制手段，要想实现实时高精度操控微纳马达的运动状态和运动方向仍然是这个领域内的瓶颈问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种精确操控半导体微纳米粒子定向运动的方法，该方法具有操作简单，运动方向和速度高度可控等特点，被控制的定向运动的微纳米粒子还能够搬运微纳米货物。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

半导体微纳米粒子定向运动控制方法，包括以下步骤：

将半导体微纳米粒子分散于双氧水溶液或纯水中；

使用光源照射在半导体微纳米粒子上，粒子表面非对称发生光催化反应，实现粒子的定向运动。

按上述方案，所述半导体微纳米粒子结构为球状或者类似于球状的多面体。

按上述方案，所述半导体微纳米粒子的禁带宽度在1-4.2电子伏特之间。

按上述方案，使用平行光源照射半导体微纳米粒子，实现向同一个方向的运动。

按上述方案，通过光源强度或双氧水溶液浓度的控制，实现运动速率的控制。

按上述方案，所述双氧水溶液浓度大于0.00001wt％。

按上述方案，所述光源包含波长在365-420nm的光。

按上述方案，所述半导体微纳米粒子为二氧化钛，硫化镉，氧化锌，磷酸银纳米粒子。

按上述方案，还包括在半导体微纳米粒子表面镶嵌铂纳米粒子以实现粒子在纯水中的运动。

按上述方案，还包括在控制微纳米粒子定向运动时负载或释放微纳米货物。

按上述方案，上述方法在微纳米加工、微米光刻或微流体管道中的应用。

本发明将半导体微纳米粒子放置于一定浓度的双氧水溶液或纯水中，用特定波长的光束以一定角度照射在粒子上，半导体微纳米粒子受到光源照射激发出电子空穴对(半导体材料的禁带宽度在1-4.2电子伏特之间)，电子空穴参与到表面的化学反应，定向产生产物构建局部的产物浓度差；局部产物浓度差激发粒子周围的渗透压流，使得粒子向正趋光或者负趋光的方向运动，从而实现粒子的定向运动。其运动速度随着光照强度以及双氧水浓度的增加而增加，其运动方向根据半导体材料的不同而呈现出正趋光或者负趋光的运动特性。

本发明所述半导体微纳米粒子的结构有着高度的对称性，光照以一定角度照射在粒子上，构造出局部的不对称光强场，半导体材料受到特定波长的光激发出电子空穴对，电子空穴参与到表面的化学反应，定向产生产物构建局部的产物浓度差。最终该局部产物浓度差激发粒子周围的渗透压流，使得粒子定向向正趋光或者负趋光的方向运动。由于粒子具有高度的对称性，故其自身在布朗运动或者局部液体流动的干扰下的转动并不会影响到其产物释放的速度以及方向，故粒子的运动状态可以按照一定速率和方向保持下去。随着入射光的变化，粒子产生光催化反应的部位以及产物释放的方向也相应地变化，故可实现运动的实时控制。

将二氧化钛粒子表面镶嵌铂纳米粒子后，可以大幅提高半导体粒子的光催化效率，使其可以裂解水分子并凭借此反应在纯水中进行定向的光控运动。

本发明光控制半导体微纳米粒子定向运动的方法可以应用于操控半导体粒子对于微纳米货物进行精准搬运。

本发明的有益效果是：

得到了一种操控微纳米粒子定向运动的方法，具有操作简单，操控精度高，适用范围广泛等特点。

本发明可以根据半导体粒子表面的光化学反应，实现正趋光或者负趋光运动。

由于粒子在定向运动时产生扩散泳力，故可以对微纳米尺度的货物进行搬运及释放。

在微纳米加工，微米光刻，微流体管道中有广泛的应用前景。

可以作为一种高效、精准可控的微米操纵器进行使用。

附图说明

图1：二氧化钛球状微米粒子在双氧水溶液中运动的时序图。

图2：二氧化钛微球在不同双氧水浓度的溶液中的平均运动速率。

图3：二氧化钛微球在不同光强的紫外光激发下的平均运动速率。

图4：不同尺寸的二氧化钛粒子在双氧水溶液中运动的轨迹图。

图5：不同光照角度下二氧化钛微球的运动轨迹。

图6：磷酸银、氧化锌和硫化镉微米颗粒位移随时间变化曲线。

图7：TiO₂/Pt粒子在纯水中的光控定向运动轨迹图。

图8：二氧化钛微米球对惰性二氧化硅微球搬运。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

实施例1

一种光控二氧化钛微米/纳米微球运动的控制方法，它包括如下步骤：将二氧化钛微球分散至一定浓度的双氧水燃料中(0.000001-1wt.％)，按照图1搭建光照平台，设置光与水平面夹角为θ(0°≤0≤90°)，设定光源输出功率为1W，即可得到二氧化钛微球的负趋光运动。其中，(a)为紫外光照着在半导体微纳米粒子上的示意图。UV_X和UV_Y分别是光X和Y在X-Y平面上的投影。(b)为光源X和Y的开关循环示意图。(c)为一个典型的二氧化钛球状微米粒子在0.001wt.％双氧水溶液中运动的时序照片，虚线表示的是预设的二氧化钛粒子的运动路线。

利用倒置光学显微镜(Leica DMI 3000M)对粒子的趋光性运动进行表征，如图1中的a所示来搭建紫外发射装置。图1b展示了光源UV_X和UV_Y的输出方式，图c说明二氧化钛粒子确实按照预定的路线进行定向可控运动。

燃料浓度对二氧化钛微球的运动速率影响：

取一定量的二氧化钛微米粒子分散在不同浓度的双氧水溶液中，采用1W强度的紫外光照射粒子，得到粒子在燃料(双氧水溶液)浓度为1wt％时粒子的平均速率为14μm/s，其平均运动速率与燃料强度成正比，如图2所示。

光照强度对二氧化钛微球的运动速率影响：

取一定量的二氧化钛微米粒子分散在一定浓度(0.001wt.％)的双氧水溶液中，采用不同强度的紫外光照射粒子，得到粒子在紫外光输出功率为1W时粒子的平均速率为9.6μm/s。见图3所示，其平均运动速率与光照强度成正比，比例关系符合Michaelis-Menten方程，说明粒子的表面的催化反应对于其运动起着主导作用。

实施例2

按照实施例1中条件搭建紫外光发射装置，分别测试粒径为400nm，1.2μm和3.5μm的二氧化钛微球的运动性能。在双氧水浓度为0.001wt％的条件下，粒径为400nm和3.5μm的粒子均只表现出无规布朗运动，表明粒子光照侧和背光侧的产物浓度差并不能驱动颗粒进行运动，如图4所示。当双氧水浓度分布提升至0.1wt％和0.66wt％时，400nm和3.5μm粒径的粒子开始呈现负趋光运动。

实施例3

按照实施例1中条件搭建紫外光发射装置，调整紫外光源于水平面的夹角θ的值，使用功率为1W的紫外光照射粒子，发现粒子的运动速率随着夹角θ的变化而变化，如图5所示，当θ＝0°时，粒子失去定向运动的能力，仅表现出无方向性的随机运动。这种现象产生的原因是粒子附近的产物浓度分布在这种光照条件下平均分布在粒子周围。

实施例4

按照实施例1搭建光源发射装置，测试不同禁带宽度的半导体在类似光照条件下的运动行为。将氧化锌微米颗粒分散在双氧水中，紫外光照射下发现氧化锌颗粒进行正趋光直线运动，其运动特征与时间关系如图6所示。用同样条件照射CdS微米粒子，可以得到同样的正趋光运动如图6所示。其中，(a)是磷酸银，氧化锌和硫化镉微米颗粒在紫外光(365nm,1W/cm²)和蓝光(420nm,0.1W/cm²)照射下的位移随时间变化曲线。(b)是硫化镉粒子在光照条件下的光控定向运动轨迹图。由于氧化锌和硫化镉在紫外光照的条件下易被光腐蚀，产生离子型产物，如SO₄²-，H⁺，Zn²⁺等，这些离子型产物首先会引起局部液体由高浓度产物区域向低浓度区域流动，同时由于各种离子在溶液中扩散速率不同，会产生一个局部的自建电场，驱使粒子进行正趋光运动。

将紫外光替换成发射波长为420nm的蓝色光，可以得到磷酸银微米粒子的负趋光运动。

实施例5

按照实施例1搭建光源发射装置。按照文献(Chem.Phys.Lett.2003,371,360.)在二氧化钛微球上负载Pt纳米粒子。将得到的TiO₂/Pt微米粒子分散在纯水中，给予同实施例1中同样的光照条件，发现该粒子可以得到定向的负趋光运动，如图7所示。

实施例6

将实施例1中在x-y平面上搭建四个紫外光源。如图8所示，将粒径为3.5μm的二氧化钛微球和1μm的二氧化硅微球分散在0.66wt％的双氧水燃料中。根据二氧化硅货物和二氧化钛微球的初始位置，操纵紫外灯在四个方向上的开关，控制二氧化钛粒子接近-搬运-卸载惰性的二氧化硅货物。最终将惰性的二氧化硅微球搬运至预定的目标区域中。

本发明所列举的各种半导体材料，以及本发明涉及到的光源搭建方法、光照强度，以及燃料浓度等参数、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。