論文DOI：10.1021/jacs.9b13093；
共同通訊作者：張澤新教授、王威教授；
通訊作者單位：蘇州大學、哈爾濱工業大學（深圳）
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微機器（micromachine）是指能夠利用周圍環境中能量而進行機械運動的微觀裝置。微機器既包括通過微加工手段得到的傳統微機械結構，也包括通過人工合成得到的，具有驅動特性的微納粒子。無論何種微機器，控制其運動都至關重要。只有精確地控制了微機器的運動方向、速度和模式，它們在執行任務時才能根據環境變化和任務需求做出響應性和適應性的運動調整，這是實現微機器功能的關鍵，也是目前微機器研究領域面臨的主要挑戰之一。本文設計和製備了一種新型光響應的人工合成微機器。通過改變光照強度、入射光方向或者燃料濃度，不但可以調控微機器的運動速度和方向，而且可以實現微機器在圓周運動、螺旋運動、直線運動和隨機運動等多種運動模式之間的隨意切換。該工作為開展微機器運動的基礎研究提供了實驗模型，具有重要科學意義；同時對開發多功能微機器也具有實際指導價值。
背景介紹
微機器是目前最活躍的先進材料和先進製造研究領域之一。從1966年科幻電影“Fantastic Voyage”中將微機器送入人體執行手術，到當今各式各樣的微機器在生物醫藥和環境修復等領域為人類服務，微機器不再是科幻電影的遐想元素，而是實實在在的微觀設備。正是世界各國科研工作者的不懈努力，才使微機器從實驗室裡的基礎研究走向實際應用，從科學幻想變為現實。
上圖：科幻電影FantasticVoyage中，身體被縮小的醫生乘坐微機器進入人體血管，執行手術。左下圖：微機器用於光動力治療（DOI:10.1021/acsami.9b07979）。右下圖：微納機器用於癌症診斷與治療（DOI:10.1007/s40820-019-0350-5）。
研究出發點
微馬達（motor）和微轉子（rotor）是兩種最常見的微機器。微機器目前主要的研究對象是運動模式為平動的微馬達，其在藥物輸運和細胞操縱領域已經嶄露頭角。而微轉子的運動模式主要為轉動，它們在胃液，腸液和眼角膜等粘稠生理介質中表現出更強運動能力，有望應用在微攪拌器、微鑽孔機械和微手術等生物醫學領域。然而，微轉子需要特殊的非對稱結構才能轉動，因此微轉子的設計和製備更具挑戰性，造成目前微轉子的研究還相對匱乏。更難能可貴的是集多運動模式於一身的平動-轉動微機器。有了集合多種運動模式的微機器，我們不但可以更精確控制微機器的運動，而且還可以確保微機器在執行復雜任務時，能夠根據環境變化和任務需求做出適應性的運動模式調整，是實現微機器功能的關鍵，也是目前微機器領域面臨的最大挑戰之一。
針對這一難題與挑戰，蘇州大學張澤新教授團隊首次實現了多模式微機器的合成製備及其運動模式的精確調控。同時，哈爾濱工業大學王威教授團隊利用有限元模擬，協助闡明瞭微機器運動的機理。研究成果以“馬達與轉子合二為一：基於氧化鋅/金棒的運動模式可調的光響應微機器”（Motor and Rotor in One: Light-ActiveZnO/Au Twinned Rods of Tunable Motion Modes）為題發表於國際頂級化學期刊《美國化學會志》（Journal of the American ChemicalSociety, JACS）。文章的第一作者為蘇州大學博士研究生杜思南，共同通訊作者為蘇州大學材料與化學化工學部張澤新教授和哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院王威教授。該團隊設計並製備了集多種運動模式於一體的微機器。在紫外光照射下，通過改變燃料濃度或光強，微機器可以由彈道運動轉變為持續旋轉運動。此外，通過調節入射光角度，微機器還可以從圓周運動，轉化為螺旋運動和直線運動，實現了對微觀貨物的定點裝載和目標釋放。
圖文解析
圖1. 微機器的設計、形貌表徵和運動機理。微機器是由兩段不同直徑的六稜柱氧化鋅（ZnO）構成，在棒的一側覆蓋有一層納米金（Au）。這樣的微機器以過氧化氫水溶液為燃料，在紫外光的照射下催化過氧化氫分解產生離子梯度，從而基於自電泳機理進行多模式運動。同時，通過有限元模擬（COMSOL）和粒子速度場分析（PIV）可以協助闡明微機器的運動機理。
圖2. 改變燃料過氧化氫的濃度來調控微機器的運動模式。隨著燃料濃度的增加，微機器實現了由彈道運動（ballistic）向持續旋轉運動的轉變。圖中彩色的實線是微機器在不同時間的運動軌跡。
圖3.改變入射光方向來調控微機器的運動模式。隨著入射光角度的增大，微機器從圓周運動，轉化為螺旋前進運動，最後轉化為直線運動。通過分析微機器的力矩可以理解這種運動模式的調控的機理。
圖4.運動模式精確可調的微機器實現微觀貨物的裝載與釋放。圖中展示微機器：（1）裝載、（2）輸運和（3）釋放貨物。這裡的貨物是直徑為1.5微米的聚苯乙烯微球。通過打開紫外光來裝載和輸運貨物，關閉紫外光來釋放貨物。淺藍色虛線為微機器的運動軌跡。
總結與展望
我們成功地設計和製備了一種光響應微機器，這種新穎的微機器展現出圓周運動、螺旋運動、直線運動、隨機運動等多種運動模式。這些運動模式可以通過簡單地調控燃料的濃度、光強或者光源的入射角進行隨意切換。製備的光響應微機器既可以作為物理模型來研究非平衡態體系的運動行為，也可以作為構建基元來開發新型多功能微機器。下一階段，我們將逐步豐富微機器的功能，拓展其在精準醫療和環境修復等領域的應用，為微機器領域的發展與進步做出我們的貢獻。
個人總結與感悟
這是我博士生涯發表的第一篇文章，這篇文章也標誌著我進入張澤新老師課題組的第三個年頭。幾百個日日夜夜，都在這一刻凝聚在這方寸的紙上，一如既往的堅持最終帶來了勝利的喜悅。但是，這篇文章只是一個開頭，後續還有很多研究需要擴展。例如，ZnO/Au微機器的批量製備，微機器的實際應用等課題，現階段都還沒有解決。在接下來的研究工作中，我們會繼續改進ZnO/Au微機器的製備方法，並將進一步豐富其功能，實現其應用。
個人心得分享
這個課題歷時近三年的時間，我一路走來有辛苦也有喜悅，我不僅收穫了高水平的文章，還讓我在科研過程中學會了沉澱、得到了成長。2017年9月，作為張澤新老師的第一名博士研究生，我進入了蘇州大學軟物質化學與物理課題組進行學習。全新的環境和全新的課題，使我感到各種不適應：既有陌生環境帶給我生活上的壓迫感，又有知識儲備不足帶給我科研上的焦慮感。我感謝張老師的耐心指導，讓我找到了科研的方向；我感謝組上同學們的支持和幫助，讓我適應了新環境，還教會了我科研上的新技能；同時，我還要感謝王威老師和周超師兄在計算機模擬方面給予了我很大的支持和精誠合作，這篇文章是兩個課題組多位同學共同努力的成果。 回想起文章的投稿過程，12月初老師們決定文章投稿到JACS，我那時並不是很有信心，甚至懷疑編輯是否會送審。直到看到審稿意見的那一刻，審稿人提出了寶貴的意見，也紛紛表達了對我們工作的認可，這對我們是莫大的鼓勵，它就像清晨那一縷曙光照在我的心頭，讓我看到了希望。文章接收的那一刻，我感到不再是驚喜，更多的是內心的平靜與踏實。這件事讓我深刻的明白了“科研需要沉澱”，也堅定了我從事科研的決心。 最後，我希望在科研路上共同努力的夥伴們再接再厲，無私分享科研心得、積極交流研究成果、時刻迸發思想火花，為科學事業的發展和人類的進步做出更大的貢獻。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b13093
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