智能型水凝胶多级马达

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1、硕士学位论文智能型水凝胶多级马达作者姓名梁玉玲学科专业材料学指导教师王朝阳教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年6月IntelligentMulti-stageHydrogelmotorADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiangYulingSupervisor：Prof.WangChaoyangSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TQ32学校代号：1056

2、1学号：201520115049华南理工大学硕士学位论文智能型水凝胶多级马达作者姓名：梁玉玲指导教师姓名、职称：王朝阳教授申请学位级别：硕士学位学科专业名称：材料学研究方向：功能高分子材料论文提交日期：2018年5月2日论文答辩日期：2018年5月31日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：委员：摘要微纳型机器在近十年的发展非常迅速，吸引了越来越多的关注，同时，将水凝胶作为自驱动马达的基体在近年来受到了广泛的关注。但是到目前为止，几乎没有关于具有驱动速度快、寿命长、能够实现运

3、输和释放微马达的智能水凝胶马达的文献。在这里，我们将宏观水凝胶马达与微纳马达集成一体制备了水凝胶二级马达，同时，还制备了驱动层和分解层交替的水凝胶多级马达，这将是非常好的想法，是先进微马达的不断发展的需求，也将进一步拓宽微型马达在智能微型机器道路上的应用。我们成功制造了一个新型的水凝胶二级马达，这个马达不仅运动寿命长、驱动速度快，而且能够远程运输活性物质。水凝胶二级马达是将Janus微马达嵌入到物理双交联的水凝胶块体（DC-hydrogel）中，并在水凝胶的部分表面上负载上Ag纳米颗粒。这个马达与先前报道

4、的水凝胶软马达的驱动性能（例如，0.69–0.32mm/s，在22.5％H2O2中）相比，在10％的过氧化氢环境中，水凝胶二级马达显示出快速的驱动能力和持久的推进力（速度可以达到20mm/s，驱动寿命超过8min）。强大的推动力归因于水凝胶表面上的Ag纳米粒子与H2O2燃料之间的催化反应产生的不对称气泡。更为显着的是，暴露在H2O2环境中9h后，水凝胶二级马达可以分解并释放嵌入在基体中的第二级Janus微马达，释放的Janus微马达可以进一步自主推进，这是由于Janus微马达半球表面的Pt金属层与H2O2

5、之间的催化反应，这展现出水凝胶二级马达系统的两级驱动性能。此外，可使用紫外光来控制水凝胶二级马达的分解速率，从而操纵Janus微马达的运输和释放时间，这为运送活性货物提供了很好的控制。在第一个工作将Janus微马达嵌入到水凝胶内部制备了水凝胶二级马达的基础上，我们成功实现了另一个创新性的想法，制造了一个驱动层和分解层交替的水凝胶多级马达。有趣的是，水凝胶多级马达在葡萄糖溶液中具有优异的驱动性能，驱动速度可达到16.2±1.3mm/s。水凝胶多级马达的驱动层是具有葡萄糖响应驱动的苯基硼酸水凝胶，分解层是低温

6、下能实现凝胶-溶胶转变的明胶/琼脂混合凝胶，而且凝胶的溶解温度随着琼脂含量的增多而不断提高，所以在水凝胶多级马达中，分解层采用不同配比的明胶/琼脂混合凝胶，实现了多级马达中的每级分解层有不同的溶解温度，这为分解层的逐级溶解释放小马达提供了很好的控制。采用调节温度可以控制分解层的逐级溶解并释放小马达，第二级分解层溶解之后，第一级小马达释放并自由推进，前端的马达可继续前行，运输到特定位置之后，再控制第四级分解层溶解，第三级小马达释放并自由推进。除温I度控制外，在明胶/琼脂混合凝胶中加入适量的石墨烯纳米片，采用

7、近红外光（NIR）逐级照射分解层，分解层吸收NIR热量温度升高，分解层逐级溶解，小马达逐级释放并自由驱动，NIR的引入实现了对水凝胶多级马达分解层逐级溶解释放小马达更加智能化的控制，这也使得水凝胶多级马达在未来的实际应用具有更广阔的前景。同时，水凝胶多级马达为运送活性货物提供一个很好的选择，每一级水凝胶基体可以根据需求运载不同的活性物质，我们在驱动层引入水溶性的恩诺沙星杀菌药物制备了一个智能型杀菌处理器，这个处理器在杀菌方面具有良好的效果。这种可智能化控制的水凝胶多级马达拓宽了微型马达在智能微型机器道路上

8、的应用。关键词：水凝胶；二级马达；多级马达；分解；释放；驱动IIABSTRACTThemicro-nanomachinehasbeendevelopingveryrapidlyinthepasttenyears,attractedmoreandmoreattention.Andhydrogelastheself-drivingmotormatrixmaterialhasreceivedalotofattentioninrece