微纳马达是一类能够将外部能量(如光能、化学能、声能等)转化为自主运动的功能微纳系统,在环境治理、生物医学和微纳操作等领域展现出广阔前景。在各类驱动方式中,光驱动因其远程可控和清洁能源等特性而备受关注。然而,目前广泛使用的光驱动微纳马达大多基于无机半导体材料(如TiO?、ZnO等),其宽带隙特性导致主要吸收紫外光,而可见光利用效率低。
近年来,聚合物半导体材料因其能带可调、合成灵活、成本低廉等优势,成为新一代光驱动微纳马达的理想候选材料。尤其是酚醛树脂类材料,传统上被用作绝缘体,近年来被发现具有优异的光催化活性,为微纳马达系统的设计开发提供了全新可能。
有鉴于此,哈尔滨工程大学刘天亿副教授、施悦教授与复旦大学孔彪教授团队合作,在国际权威期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表最新研究成果,首次将聚合物半导体酚醛树脂应用于微纳马达领域,成功开发出具有多通道响应能力的光驱动纳米马达。该马达不仅可在不同波长光照、光强和过氧化氢浓度条件下实现速度和方向的精准调控,还可实现三维空间中的复杂运动行为。团队进一步将其应用于有害藻类米氏凯伦藻的高效灭活,展现出优于传统TiO?纳米颗粒的光动力抗菌性能。该研究系统揭示了材料分子结构、光催化特性与运动行为之间的内在关联,为智能微纳马达的设计提供了新思路与材料平台。
图1. 四类聚合物半导体酚醛树脂合成策略及理化性质表征
图1展示了分别以间苯二酚、间氨基苯酚作为前驱体,在室温或水热条件下合成的四类酚醛树脂纳米颗粒的结构与成分特征。扫描电镜(SEM)图像显示出其具有球型结构,直径约为300-350 nm左右。其中,以间氨基苯酚作为前驱体,通过水热法制备的酚醛树脂纳米颗粒具有苯并恶嗪-醌式交替结构,该结构表现出高度共轭和π-堆叠特性,带隙显著降低至1.90 eV,可实现从紫外至可见光区(延伸至700 nm)的宽谱吸收。通过在其表面部分修饰金层,构建了具有Janus不对称结构的纳米马达。
图2. 微纳马达多通道响应三维运动控制及驱动机理探究
在光照和H?O?存在条件下,该马达表现出优异的自推进性能,最高运动速度可达29.78 μm/s,远超多数已报道的光驱动纳米马达。研究团队通过改变入射光波长(紫外、蓝光、绿光)和强度,实现了对马达运动速度的多通道调节;通过调控表面电荷性质,实现了对运动方向的调节。结合有限元模拟,揭示了其运动机制为光催化分解H?O?引发的自电泳驱动。
图3. 微纳马达的多波长驱动及米氏凯伦藻灭活实验
更引人注目的是,该马达可在强光照射下实现向上浮起的垂直运动,摆脱重力沉降限制,显著提高了其在液相环境中的操作性和利用率。研究进一步评估了其在有害藻类灭活中的应用性能。在可见光照射下,该纳米马达对米氏凯伦藻的灭活效率显著高于传统TiO?,这归因于其优越的可见光吸收、高效电荷分离以及运动增强的质量传递效应。机理研究表明,光催化过程中产生的活性氧物种(ROS)以及马达运动引起的机械破坏共同导致了微生物细胞的失效。
该项研究不仅拓展了聚合物半导体在微纳马达领域的应用,也展示了其在环境修复、生物医疗等多方面的潜在价值,为下一代智能微纳驱动系统的设计提供了重要借鉴。
论文信息:
Molecular-Level Design of Polymeric Semiconductor Nanomotors with Multichannel Sensitive 3D Motion for Microorganism Inactivation
Tianyi Liu*, Huannuo Tao, Qingdong Chai, Hang Shi, Ziqi Zheng, Zhenning Sun, Guoxing Zhang, Xiangjun Wang, Jixin Zhou, Abuduheiremu Awati, Qirui Liang, Yanjun He, Dazhang Zhu, Mingxian Liu, Yue Shi*, Kang Liang, Jian Liu, Biao Kong*
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202508705
https://doi.org/10.1002/anie.202508705
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