NML综述丨华南师范大学蔡跃鹏&阿尔卡拉大学Beatriz Jurado Sánchez等：一维微/纳米马达的最新进展

Recent Advances in One-Dimensional Micro/Nanomotors: Fabrication, Propulsion and Application
Yuhong Zheng, He Zhao, Yuepeng Cai*, Beatriz Jurado-Sánchez*, Renfeng Dong*
Nano-Micro Letters (2023)15: 20
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00988-1

本文亮点

1. 梳理了一维微/纳米马达的分类及其制造方法。

2. 总结了一维微/纳米马达的驱动机制和应用研究进展。

3. 讨论了一维微/纳米马达面临的挑战和未来的前景。

华南师范大学蔡跃鹏教授，阿尔卡拉大学Beatriz Jurado Sánchez副教授以及华南师范大学董任峰副研究员在文中介绍了一维微/纳米马达的基础理论，总结了一维微/纳米马达的制备方法、并且根据不同的一维结构介绍了其对应的驱动机制以及在各方面的应用研究进展。最后，总结了一维微/纳米马达目前所面临的挑战，并对一维微/纳米马达的研究趋势和应用前景进行了展望。

I 一维微/纳米马达的制备方法

目前，随着微/纳米加工制造技术的进步，多种用于制备一维微纳米材料的方法被相继开发。其中，一些合适的微/纳米加工制造技术也逐渐被用于制备一维微/纳米马达，主要包括电化学沉积技术、气相沉积技术、卷曲纳米技术、水热合成技术、激光直写技术和原子层沉积技术等(如图1)。

图1. (a)电化学沉积；(b)气相沉积；(c)卷曲纳米技术；(d)水热合成；(e)激光直写；(f)原子层沉积。

II 一维微/纳米马达的驱动机制

从微/纳米马达研究的早期阶段到现在，研究人员已经开发了各种一维微/纳米马达，从简单的单组分微/纳米棒、双组分微/纳米棒到多组分微/纳米棒、微管、核壳纳米棒和多段柔性纳米线等。

2.1 单组分微/纳米棒

单组分一维微/纳米马达是指由一种材料组成的微/纳米棒状结构的器件。其结构简单，易于制备，通常是通过模板辅助电化学沉积制备的。由于材料和结构的单一，这种微/纳米马达驱动方法的选择也受到限制：目前报道的此类一维微/纳米马达主要是声场驱动和电场驱动(如图2a)。声场驱动通常是基于微纳米颗粒在声场中受到的不对称声压形成的推动力实现驱动的。通过电化学沉积制备的棒状结构一般都会存在端面凹凸不对称的情况。声波能量在凹面附近汇聚，而在凸面附近则是发散的，因此在棒状结构的凹凸两端将形成不对称的声压推动其运动。电场驱动则是由于其在强电场下发生极化进而在极化两端分别引发氧化和还原反应，产生不对称的推动力。

图2. (a)单组分微/纳米棒马达主要驱动方式示意图，包括声场驱动和电场驱动；(b)金纳米马达在声场中的驱动机制示意图；(c)铜纳米马达在电场中的驱动机制示意图。

2.2 双组分微/纳米棒

双组分一维微/纳米马达是指具有两种材料构成的微/纳米棒状器件，该马达具有Janus结构，使其在驱动方式和功能化方面更具优势：第二种材料的引入令双组分微/纳米马达的设计更加灵活，例如，可以设计具有不同功能或性质的材料组合，以使马达呈现不对称的化学反应、光化学效应或磁响应性能。目前报道的一维Janus微/纳米马达的驱动机制主要是超声驱动、化学驱动、电场驱动和光驱动(如图3a)。除了前面介绍的超声驱动机制和电场极化机制，还可以将其设计成由光驱动的或者化学燃料驱动的马达。化学驱动一般是将具有催化活性的材料设计在马达的一端，在化学燃料的环境中即可利用不对称的化学反应提供推动力。光驱动则是将光响应性材料设计到马达的一端，利用光响应材料的特性，由外部光照控制反应的进行进而控制马达的运动。

图3. (a)双组分微/纳米棒马达主要驱动方式示意图，包括声场驱动、化学驱动、电场驱动和光驱动；(b)Ru/Au纳米马达的超声驱动机制示意图；(c)Pt/Ag纳米马达的化学驱动机制示意图；(d)Fe₂O₃/Au纳米马达的光场驱动机制示意图。

2.3 多组分微/纳米棒

多组分的一维微/纳米马达引入了更多的材料组合，它形成具有不同功能和物理化学性质的表面，对外部刺激的反应不同。目前的多组分一维微/纳米马达的驱动机制主要是超声驱动、化学驱动、电场驱动和磁场驱动(如图4a)。其优势是可以引入更多的功能材料，在功能化方面具有更多的选择。在结构设计中，通常通过选择不同的材料来构建不同的功能。例如引入磁性材料在其他驱动模式中实现磁导向的目的，或者使用不同材料的组合来降低马达的剩磁值，从而减少静磁相互作用并降低马达之间的相互吸引力。

图4. (a)多组分微/纳米棒马达主要驱动方式示意图，包括声场驱动、化学驱动、电场驱动和磁场驱动；(b)Au/Ni/Au纳米马达的超声驱动机制示意图；(c)Au/Fe/Ni合金纳米马达的化学驱动机制示意图；(d)(Au/Ni)₈纳米马达的磁场驱动机制示意图。

2.4 核壳结构的微/纳米棒

核壳结构是除双组分和多组分结构外，集成不同材料的另一种策略，这是一种有序的组装结构，其中棒状结构由另一种材料包覆。核壳结构的一维微/纳米马达的驱动机制主要是光驱动和化学驱动(如图5a)。在结构设计方面，外层材料可以起到保护作用，并且限制了内层材料与周围环境的相互作用，比如内层材料与外部溶液接触的截面所产生的梯度场可以更高效地推进马达。此外，像Janus结构一样，核壳结构的微/纳米马达系统中不同组件之间的异质界面可能会产生新的特性。

图5. (a)核壳结构微/纳米棒马达主要驱动方式示意图，包括光驱动和化学驱动；(b)ZnXCd1−XSe/Cu₂Se核壳纳米马达的光场驱动机制示意图；(c)Au/Ru核壳纳米马达的化学驱动机制示意图；(d)Sb₂Se₃/ZnO核壳纳米马达的光驱动机制示意图。

2.5 微/纳米管

管状微型/纳米马达具有中空棒状结构。与之前介绍的不对称材料和结构不同的是，不同的材料在径向而非轴向集成。这种结构的优势是比表面积大，内表面和外表面可以设计成不同的功能，内部空间可以用来装载货物。这种马达通常通过卷起纳米技术或电化学沉积制造，并以光催化反应或者化学反应产生的气泡驱动马达(如图6a)，其中气泡通常从管状结构内部喷出以获得推进力。

图6. (a)管状结构微/纳米棒马达主要驱动方式示意图，主要包括化学驱动和光驱动；(b)ZnO/Pt管状微米马达的化学驱动机制示意图；(c)PANI/Zn管状微米马达的化学驱动机制示意图；(d)g-C₃N₄管状微米马达的光场驱动机制示意图。

2.6 柔性微/纳米线

柔性微/纳米马达是由刚性一维结构和柔性一维结构组成的纳米线，通常由磁场驱动(如图7a)。磁场驱动的微/纳米马达通常需要设计磁性材料(铁磁性、铁磁性或超顺磁性材料)作为马达的一部分，这只需要相对较低的磁场来驱动。这种由磁场驱动的马达首先在各种条件下表现出良好的生物相容性，而磁场可以通过不同的方式(旋转、振荡、锥形和梯度场)控制，以控制马达表现出不同的运动机制。如果形状和结构设计得当，旋转或振荡磁场会导致磁性物体平移。柔性一维马达的刚性结构和柔性结构的精确设计组合非常适合于可变方向磁场驱动。这种结构的马达驱动柔性段通过其磁性段在磁场中的响应而变形。由于柔性变形两端的力不同，变形两端的运动幅度也会不同，从而实现运动。

图7. (a)柔性微/纳米棒马达主要驱动方式示意图，主要为磁场驱动；(b)Au/Ag/Ni柔性纳米马达在旋转磁场中的驱动机制示意图；(c)Au/Ag/Ni/Ag/Au柔性纳米马达在振荡磁场中的驱动机制示意图；(d)Ni/Ag柔性纳米马达在旋转磁场中的驱动机制示意图。

III 一维微/纳米马达的应用

作为一种新的微/纳米工具，一维微/纳米马达不但具有较大的纵横比和功能面积，而且具有丰富的微纳米结构和各具特色的材料。因此，一维微/纳米马达具有巨大的应用潜力，目前已报道的应用主要集中在生物医学和环境处理两个方面，例如：货物运输、检测、催化降解和微生物处理领域(如图8)。

图8. (a)金纳米马达将CASP-3加载到细胞中并释放到细胞中，导致细胞快速凋亡；(b)用Au/Ni纳米线检测癌症生物标志物microRNA-21；(c)磁性介孔CoNi@Pt纳米马达降解污染物；(d)Au/Ni/Au微米马达修饰蛋白捕获大肠杆菌。

IV 总结与展望

一维微/纳米马达具有制备工艺相对简单、设计灵活和表面积大等独特的优点，因此，被广泛应用于生物医学、环境管理和传感领域。本文系统总结了一维微/纳米马达的研究进展，并介绍了这些一维微/纳米马达的常规制备方法，包括模板辅助电沉积技术、气相沉积技术、卷起纳米技术、水热合成和其他方法。然后，根据一维微/纳米马达的结构对其进行了分类，并介绍了每种一维微/纳米马达的驱动机制。最后，总结了一维微/纳米马达在货物运输、检测、催化降解、微生物处理等方面的应用潜力。

作为一个新的研究领域，一维微/纳米马达在许多方面显示出独特的优势，但它们仍面临许多挑战，例如，如何实现(1)更高的能量转换效率，以获得更强的突破障碍的能力和更高效的执行任务的能力；(2)更好的方向控制，以实现精确的响应控制；(3)更精细的制备工艺，以实现更好的应用价值。基于对微纳米马达领域的研究进展和微纳米加工技术的了解，我们认为一维微/纳米马达可以在以下方面得到改进：(1)开发新材料。例如探索新的合成材料，寻找天然材料或者开发复合材料，以提升马达性能或拓展马达的应用前景；(2)重视亚微观结构。例如Janus纳米结构中两种材料的界面结构、微管马达内壁的表面形态等，有利于进一步提高马达的性能；(3)结合纳米制造技术。例如可以尝试使现有技术有效融合，合理地联合使用当前的纳米技术将具有意想不到的优势。

一维微/纳米马达最有前途的前景源自于其易于调节的结构和穿越障碍时的优异性能。未来的智能一维微/纳米马达应具有更复杂的结构和更多样的功能，以及完善的控制和监控系统，并在生物医学和环境处理领域具有更安全和高效的实际应用。我们希望我们的综述能够为下一代智能一维微/纳米马达的设计提供指导，以实现更广泛的实际应用和前所未有的性能。在不久的将来，我们相信一维微/纳米马达可以成为成本低、效率高、功能强大的微型/纳米工具，从而迎来纳米技术革命的曙光。

作者简介董任峰

本文通讯作者

华南师范大学 副研究员

▍主要研究领域
(1)刺激响应型智能微纳米材料设计与制备；(2)微纳米自驱动体系的驱动与应用。

▍主要研究成果

2012-2014年获国家公派赴美国加州大学圣地亚哥分校联合培养，2016年博士毕业于华南理工大学，2018年入职华南师范大学，副研究员，博士生导师。目前，已发表学术论文50余篇，包括 J. Am. Chem. Soc.，PNAS., Acc. Chem. Res., ACS Nano等国际著名学术刊物。据谷歌学术统计，论文被总被引频次达3600余次，其中4篇为ESI高被引论文，H因子为25。共主持国家级、省部级课题8项。共申请相关专利11项，其中授权专利4项。兼任中国微米纳米技术学会微纳执行器与微系统分会理事， 广东省药学会第二届药物手性专业委员会委员。

▍Email：rfdong@m.scnu.edu.cn

Beatriz Jurado Sánchez
本文通讯作者

阿尔卡拉大学 教授

▍主要研究领域
用于分析和生物医学应用的微/纳米马达。
▍主要研究成果

2009年毕业于科尔多瓦大学，获得化学博士学位，2017年至2022年在阿尔卡拉大学任Ramón y Cajal研究员，2022年任副教授。到目前为止在国际会议上共同撰写了71篇以上的科学论文(H指数=31)、5个教材章节和20多篇通讯，并登上最具影响力的期刊Angewandte Chemie International Edition，Chemical Science and Analytical Chemistry的封面。曾作为PI或研究团队成员参与多个国际(欧盟委员会、国防威胁降低机构、EEUU)和国家(马德里社区、国家I+D+I计划)研究项目。

▍Email：beatriz.jurado@uah.es

蔡跃鹏

本文通讯作者

华南师范大学 教授

▍主要研究领域

功能配合物化学，主要包括：(1) 金属/共价-有机框架化合物基锂离子(钠离子、锂硫/硒)电池等关键材料的设计制备；(2) 金属/共价-有机框架化合物的设计合成及小分子存储与分离；(3) 功能金属配合物和聚合金属配合物超分子体系的分子设计、合成和结构与性能研究。
▍主要研究成果

2002毕业于中山大学化学与化学工程学院物理化学研究所，获得博士学位。2004至今在华南师范大学化学与环境学院物理化学研究所任教授。目前为华南师范大学二级教授、博士生导师、化学学院院长。能量转化与储能材料广东省工程技术研究中心和广州市重点实验室主任，电化学储能材料与技术教育部工程研究中心副主任，广东省高校-企业联合研究生培养示范基地负责人，广东省化学学会理事，《广州化学》期刊副主编。2011 年度入选广东高校“千百十工程”国家级培养对象。主要研究领域是功能配合物化学及其在能源材料方面的应用。主持包括国家自然科学基金重大研究计划培育项目、国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金重点项目、广东省重点领域研发计划项目等30余项国家、省部、市厅级及企业委托横向课题。在Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Energy Lett, ACS nano等国际学术期刊发表SCI论文200多篇。2012 年获“广东省自然科学三等奖”。

▍Email：caiyp@scnu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2021JCR影响因子为 23.655，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。