Микромотор

Микромоторы — это очень маленькие частицы (измеренные в микронах ), которые могут двигаться самостоятельно. ^[1] Этот термин часто используется как синоним « наномотора », несмотря на неявную разницу в размерах. Эти микромоторы фактически автономно движутся в определенном направлении, когда их помещают в химический раствор. Существует множество различных типов микромоторов, работающих под управлением множества механизмов. Самыми важными примерами являются биологические двигатели, такие как бактерии и любые другие самодвижущиеся клетки. Синтетически исследователи использовали окислительно-восстановительные реакции для создания химических градиентов, локальных потоков жидкости или потоков пузырьков, которые затем приводят в движение эти микромоторы через химическую среду. ^[2] Разные раздражители, как внешние (свет, ^[3] магнетизм ^[4]) и внутренние (концентрация топлива, вещественный состав, ^[5] асимметрия частиц ^[6]) можно использовать для управления поведением этих микромоторов.

Микромоторы могут найти применение в медицине, поскольку было доказано, что они способны доставлять материалы к живым клеткам организма. Также было доказано, что они эффективны в разложении некоторых химических и биологических боевых агентов.

Двигатель Януса

Микродвигатели частиц Януса состоят из двух или более компонентов с различными физическими свойствами, таких как частица диоксида титана, покрытая золотом, ^[7] или шарик полистирола, покрытый с одной стороны слоем платины. ^[8]^[9] оба из которых демонстрируют разницу в каталитической активности между половинками. Когда эти двигатели помещаются в топливо, такое как перекись водорода, на каждом полюсе происходит одна окислительно-восстановительная полуреакция в зависимости от каталитической активности. Поскольку реакция окисления производит электроны и протоны, реакция восстановления потребляет их в качестве реагентов на противоположном полюсе частицы. Это движение молекул создает поток жидкости через поверхность двигателя, который толкает частицу вперед. Каталитическая разница между каждым полюсом двигателя Януса может быть характерна для материала. ^[10] например, металлы, которые катализируют с разной скоростью или вызываются внешними раздражителями, такими как УФ-свет. ^[7] который может поглощаться полупроводниковыми материалами, такими как диоксид титана, для возбуждения электронов для окислительно-восстановительной реакции.

Каталитическая активность — не единственный способ создания движения с использованием материалов Януса; самоходные капли Януса могут быть изготовлены с использованием сложной эмульсии двух различных поверхностно-активных масел. ^[11] которые движутся вперед самопроизвольно из-за разницы в поверхностном натяжении по мере растворения двух масел.

Реализация наночастиц

Внедрение наночастиц в микродвигатели недавно было изучено и продолжено. В частности, наночастицы золота были введены в традиционный внешний слой диоксида титана большинства микромоторов. ^[12] Размер этих наночастиц золота обычно варьируется от 3 до 30 нм. ^[13] Поскольку эти наночастицы золота наслаиваются поверх внутреннего ядра (обычно восстановителя, такого как магний), наблюдается усиленная макрогальваническая коррозия. ^[14] Технически, это место, где катод и анод контактируют друг с другом, образуя цепь. Катод в результате замыкания подвергается коррозии. Истощение этого внутреннего ядра приводит к уменьшению химической среды как источника топлива. Например, в микромоторе TiO ₂ /Au/Mg, работающем в морской воде, магниевый внутренний сердечник подвергается коррозии и восстанавливает воду, что приводит к началу цепочки реакций, в результате которых в качестве источника топлива используется газообразный водород. Реакция восстановления выглядит следующим образом: $Mg+2H_{2}O\to Mg(OH)_{2}+H_{2}$ ^[12]

Приложения

Исследователи надеются, что микромоторы будут использоваться в медицине для доставки лекарств и выполнения других точных небольших вмешательств. ^[15] Исследование показало, что микромоторы могут доставлять частицы золота в желудок живых мышей. ^[16]

Фотокаталитическая деградация биологических и химических боевых отравляющих веществ

Микромоторы способны к фотокаталитической деградации соответствующего состава. ^[17]^[18] В частности, микромоторы с внешним слоем из диоксида титана/наночастиц золота и внутренним сердечником из магния в настоящее время исследуются и изучаются на предмет их эффективности в отношении деградации против химических и биологических боевых агентов (CBWA). Эти новые микромоторы TiO ₂ /Au/Mg не производят реагентов или токсичных побочных продуктов в результате механизмов движения и разложения. Однако они очень эффективны против CBWA и приводят к полной и быстрой деградации некоторых CBWA. Недавно были проведены исследования микромоторов TiO ₂ /Au/Mg, их использования и эффективности деградации против боевых биологических агентов, таких как Bacillus anthracis, и химических боевых агентов, таких как органофосфатные нервно-паралитические агенты - класс ацетилхолинэстеразы ингибиторов . Таким образом, применение этих микродвигателей возможно в медицинских и экологических целях.

Фотокаталитический механизм разложения

Эти новые микромоторы состоят из внешнего/поверхностного слоя фотоактивного фотокатализатора, который часто также имеет на поверхности наночастицы активных металлов (платины, золота, серебра и т. д.). ^[19] Под действием УФ-облучения адсорбированная вода образует сильно окисляющие гидроксильные радикалы. Также адсорбированный молекулярный O ₂ реагирует с электронами, образуя супероксид-анионы. Эти супероксидные анионы также приводят к образованию пероксидных радикалов, гидроксильных радикалов и гидроксильных анионов. превращение ХВВ в углекислый газ и воду, иначе известное как минерализация наблюдалось Под действием радикалов и анионов . Кроме того, наночастицы активного металла эффективно смещают уровень Ферми фотокатализатора, улучшая распределение электронного заряда. Таким образом, время жизни радикалов и анионов продлевается, поэтому внедрение наночастиц активного металла значительно повысило фотокаталитическую эффективность.

Микромоторы на основе металлоорганического каркаса (MOF)

Металлоорганические каркасы (МОФ) представляют собой класс соединений, которые состоят из кластера ионов металла, координированного с органическим линкером. Эти соединения могут образовывать 1D, 2D и 3D структуры. Они обладают пористой морфологией, форму и размер которой можно изменять в зависимости от иона металла и органического линкера, используемых для формирования MOF. Эти поры придают им отличные каталитические свойства, поэтому исследования MOF, направленные на каталитическое разложение загрязняющих веществ для восстановления окружающей среды, привлекают все больше внимания. Основным ограничением MOF является то, что они имеют тенденцию оседать на дне раствора, что снижает их эффективность, поскольку они не вступают в контакт с загрязнителем. Таким образом, в последние годы все больше и больше исследований, посвященных MOF для каталитической деградации, были связаны с внедрением микромоторов. Частицы MOF наполовину покрыты металлом, создавая частицу двигателя Януса (половина металла, половина MOF). Двигательный аспект частицы усиливает ее диффузию, увеличивая вероятность встречи MOF и загрязняющего вещества друг с другом в растворе, тем самым увеличивая скорость его разложения. Эти микромоторы на основе MOF оказались чрезвычайно эффективными при обеззараживании воды, и после того, как топливо, используемое для движения (в большинстве случаев перекись водорода), полностью израсходовано, они оседают на дне раствора, облегчая удаление частиц двигателя Януса из решение. ^[20]^[21]

Ссылки

^ Ван, Вэй; Дуань, Вэньтао; Ахмед, Сюзанна; Маллук, Томас Э.; Сен, Аюсман (01 октября 2013 г.). «Малая мощность: автономные нано- и микромоторы, приводимые в движение самогенерируемыми градиентами» . Нано сегодня . 8 (5): 531–554. дои : 10.1016/j.nantod.2013.08.009 . ISSN 1748-0132 .
^ Чжан, Цзяньхуа; Сун, Цзяци; Моу, Фанчжи; Гуань, Цзяньго; Сен, Аюсман (01 мая 2021 г.). «Микро/наномоторы на основе титана: принципы проектирования, биомиметическое коллективное поведение и применение» . Тенденции в химии . 3 (5): 387–401. дои : 10.1016/j.trechm.2021.02.001 . ISSN 2589-7209 . S2CID 233929724 .
^ Чжан, Цзяньхуа; Моу, Фанчжи; Тан, Шаовэнь; Кауфман, Джошуа Э.; Сен, Аюсман; Гуань, Цзяньго (01 марта 2022 г.). «Фотохимический микромотор с эксцентриковым сердечником в изотропной полой оболочке, демонстрирующий мультимодальное движение» . Прикладные материалы сегодня . 26 : 101371. doi : 10.1016/j.apmt.2022.101371 . ISSN 2352-9407 . S2CID 246188941 .
^ Снежко А.; Белкин, М.; Арансон, Исландия; Квок, В.-К. (16 марта 2009 г.). «Самособранные магнитные поверхностные пловцы» . Письма о физических отзывах . 102 (11): 118103. doi : 10.1103/PhysRevLett.102.118103 . ПМИД 19392241 .
^ Вонг, Флори; Дей, Кришна Канти; Сен, Аюсман (1 июля 2016 г.). «Синтетические микро/наномоторы и насосы: производство и применение» . Ежегодный обзор исследований материалов . 46 (1): 407–432. doi : 10.1146/annurev-matsci-070115-032047 . ISSN 1531-7331 .
^ Клайн, Тимоти Р.; Пакстон, Уолтер Ф.; Маллук, Томас Э.; Сен, Аюсман (21 января 2005 г.). «Каталитические наномоторы: дистанционно управляемое автономное движение полосатых металлических наностержней» . Angewandte Chemie, международное издание . 44 (5): 744–746. дои : 10.1002/anie.200461890 . ISSN 1433-7851 . ПМИД 15612073 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Донг, Жэньфэн; Чжан, Цилу; Гао, Вэй; Пей, Аллен; Рен, Бие (23 ноября 2015 г.). «Высокоэффективные микромоторы TiO2 – Au Janus с легким приводом». АСУ Нано . 10 (1): 839–844. дои : 10.1021/acsnano.5b05940 . ПМИД 26592971 .
^ Хауз, Джонатан Р.; Джонс, Ричард А.Л.; Райан, Энтони Дж.; Гоф, Тим; Вафабахш, Реза; Голестанян, Рамин (27 июля 2007 г.). «Самоподвижные коллоидные частицы: от направленного движения к случайному блужданию» . Письма о физических отзывах . 99 (4): 048102. arXiv : 0706.4406 . doi : 10.1103/PhysRevLett.99.048102 .
^ Эббенс, С.; Грегори, Д.А.; Дандердейл, Г.; Хауз, младший; Ибрагим, Ю.; Ливерпуль, ТБ; Голестанян, Р. (01 июня 2014 г.). «Электрокинетические эффекты у пловцов Януса с каталитическим платиновым изолятором» . EPL (Письма по еврофизике) . 106 (5): 58003. arXiv : 1312.6250 . дои : 10.1209/0295-5075/106/58003 . ISSN 0295-5075 . S2CID 98108129 .
^ Пакстон, Уолтер Ф.; Кистлер, Кевин С.; Ольмеда, Кристина К.; Сен, Аюсман; Сент-Луис Анджело, Сара К.; Цао, Яньян; Маллук, Томас Э.; Ламмерт, Пол Э.; Креспи, Винсент Х. (01 октября 2004 г.). «Каталитические наномоторы: автономное движение полосатых наностержней » Журнал Американского химического общества . 126 (41): 13424–13431. дои : 10.1021/ja047697z . ISSN 0002-7863 . ПМИД 15479099 .
^ Мередит, Калеб Х.; Кастонге, Александр К.; Чиу, Ю-Джен; Брукс, Аллан М.; Моерман, Пепейн Г.; Тораб, Питер; Вонг, Пак Кин; Сен, Аюсман; Велегол, Даррелл; Зарзар, Лорен Д. (2 февраля 2022 г.). «Химический расчет самоходных капель Януса» . Иметь значение . 5 (2): 616–633. дои : 10.1016/j.matt.2021.12.014 . ISSN 2590-2393 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ли, Цзиньсин; Сингх, Вирендра В.; Саттаясамитсатит, Сирилак; Ороско, Джахир; Кауфманн, Кевин; Донг, Жэньфэн; Гао, Вэй; Хурадо-Санчес, Беатрис; Федорак, Юрий; Ван, Джозеф (25 ноября 2014 г.). «Микродвигатели с водяным приводом для быстрого фотокаталитического разложения боевых биологических и химических отравляющих веществ» (PDF) . АСУ Нано . 8 (11): 11118–11125. дои : 10.1021/nn505029k . ПМИД 25289459 . S2CID 36134174 .
^ Су, Рен; Тирувалам, Рамчандра; Он, Цянь; Димитратос, Николаос; Кесаван, Локеш; Хаммонд, Кери; Лопес-Санчес, Хосе Антонио; Бехштейн, Ральф; Кили, Кристофер Дж.; Хатчингс, Грэм Дж.; Безенбахер, Флемминг (24 июля 2012 г.). «Стимулирование фоторазложения фенола на TiO с использованием наночастиц Au, Pd и Au – Pd». АСУ Нано . 6 (7): 6284–6292. дои : 10.1021/nn301718v . ПМИД 22663086 .
^ Гао, Вэй; Фэн, Сяомяо; Пей, Аллен; Гу, Йонге; Ли, Цзиньсин; Ван, Джозеф (2013). «Микродвигатели Janus на основе магния, работающие на морской воде, для восстановления окружающей среды» . Наномасштаб . 5 (11): 4696–700. Бибкод : 2013Nanos...5.4696G . дои : 10.1039/c3nr01458d . ПМИД 23640547 .
^ Сомасундар, Амбика; Сен, Аюсман (февраль 2021 г.). «Нано и микромоторы с химическим приводом в организме: Quo Vadis?» . Маленький . 17 (5): 2007102. doi : 10.1002/smll.202007102 . ISSN 1613-6810 . ПМИД 33432722 . S2CID 231585127 .
^ Бурзак, Кэтрин. «Микромоторы впервые плавают в организме» . С&ЕН . Новости химии и техники . Проверено 30 мая 2015 г.
^ Чжан, Цилу; Донг, Жэньфэн; Ву, Ефэй; Гао, Вэй; Он, Зихан; Рен, Бийе (2017). «Световые микромоторы Au-WO3@C Janus для быстрого фотодеградации красителей». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (5): 4674–4683. дои : 10.1021/acsami.6b12081 . ПМИД 28097861 .
^ Конг, Лей; Майорга-Мартинес, Кармен; Гуань, Цзяньго; Пумера, Мартин (2018). «Бестопливные легкие микромоторы Janus с TiO2/Pt для ускоренного разложения нитроароматических взрывчатых веществ». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 10 (26): 22427–22434. дои : 10.1021/acsami.8b05776 . ПМИД 29916690 . S2CID 49294307 .
^ Конг, Лей; Майорга-Мартинес, Кармен; Гуань, Цзяньго; Пумера, Мартин (2020). «Фотокаталитические микромоторы, активируемые УФ-излучением в видимый свет, для восстановления окружающей среды, микронасосов, реверсивной сборки, транспорта и биомимикрии». Маленький . 16 (27): e1903179. дои : 10.1002/smll.201903179 . ПМИД 31402632 . S2CID 199540153 .
^ Лю, Хуа, Шиян (2017). Высокоэффективные самоходные микродвигатели для очистки воды . Сянхуэй ; Ван, Жуйцинь, Ли , » « 42462–42467 : / 10.1039 C7RA08127H ISSN 2046-2069 .
^ Бухаланс-Фернандес, Хавьер; Хурадо-Санчес, Беатрис; Эскарпа, Альберто (2023). «Появление микромоторов на металлоорганическом каркасе» . Химические коммуникации . 59 (70): 10464–10475. дои : 10.1039/D3CC02775A . ISSN 1359-7345 .

[1] Ван, Вэй; Дуань, Вэньтао; Ахмед, Сюзанна; Маллук, Томас Э.; Сен, Аюсман (01 октября 2013 г.). «Малая мощность: автономные нано- и микромоторы, приводимые в движение самогенерируемыми градиентами» . Нано сегодня . 8 (5): 531–554. дои : 10.1016/j.nantod.2013.08.009 . ISSN 1748-0132 .

[2] Чжан, Цзяньхуа; Сун, Цзяци; Моу, Фанчжи; Гуань, Цзяньго; Сен, Аюсман (01 мая 2021 г.). «Микро/наномоторы на основе титана: принципы проектирования, биомиметическое коллективное поведение и применение» . Тенденции в химии . 3 (5): 387–401. дои : 10.1016/j.trechm.2021.02.001 . ISSN 2589-7209 . S2CID 233929724 .

[3] Чжан, Цзяньхуа; Моу, Фанчжи; Тан, Шаовэнь; Кауфман, Джошуа Э.; Сен, Аюсман; Гуань, Цзяньго (01 марта 2022 г.). «Фотохимический микромотор с эксцентриковым сердечником в изотропной полой оболочке, демонстрирующий мультимодальное движение» . Прикладные материалы сегодня . 26 : 101371. doi : 10.1016/j.apmt.2022.101371 . ISSN 2352-9407 . S2CID 246188941 .

[4] Снежко А.; Белкин, М.; Арансон, Исландия; Квок, В.-К. (16 марта 2009 г.). «Самособранные магнитные поверхностные пловцы» . Письма о физических отзывах . 102 (11): 118103. doi : 10.1103/PhysRevLett.102.118103 . ПМИД 19392241 .

[5] Вонг, Флори; Дей, Кришна Канти; Сен, Аюсман (1 июля 2016 г.). «Синтетические микро/наномоторы и насосы: производство и применение» . Ежегодный обзор исследований материалов . 46 (1): 407–432. doi : 10.1146/annurev-matsci-070115-032047 . ISSN 1531-7331 .

[6] Клайн, Тимоти Р.; Пакстон, Уолтер Ф.; Маллук, Томас Э.; Сен, Аюсман (21 января 2005 г.). «Каталитические наномоторы: дистанционно управляемое автономное движение полосатых металлических наностержней» . Angewandte Chemie, международное издание . 44 (5): 744–746. дои : 10.1002/anie.200461890 . ISSN 1433-7851 . ПМИД 15612073 .

[:1-7] Перейти обратно: ^а ^б Донг, Жэньфэн; Чжан, Цилу; Гао, Вэй; Пей, Аллен; Рен, Бие (23 ноября 2015 г.). «Высокоэффективные микромоторы TiO2 – Au Janus с легким приводом». АСУ Нано . 10 (1): 839–844. дои : 10.1021/acsnano.5b05940 . ПМИД 26592971 .

[8] Хауз, Джонатан Р.; Джонс, Ричард А.Л.; Райан, Энтони Дж.; Гоф, Тим; Вафабахш, Реза; Голестанян, Рамин (27 июля 2007 г.). «Самоподвижные коллоидные частицы: от направленного движения к случайному блужданию» . Письма о физических отзывах . 99 (4): 048102. arXiv : 0706.4406 . doi : 10.1103/PhysRevLett.99.048102 .

[9] Эббенс, С.; Грегори, Д.А.; Дандердейл, Г.; Хауз, младший; Ибрагим, Ю.; Ливерпуль, ТБ; Голестанян, Р. (01 июня 2014 г.). «Электрокинетические эффекты у пловцов Януса с каталитическим платиновым изолятором» . EPL (Письма по еврофизике) . 106 (5): 58003. arXiv : 1312.6250 . дои : 10.1209/0295-5075/106/58003 . ISSN 0295-5075 . S2CID 98108129 .

[10] Пакстон, Уолтер Ф.; Кистлер, Кевин С.; Ольмеда, Кристина К.; Сен, Аюсман; Сент-Луис Анджело, Сара К.; Цао, Яньян; Маллук, Томас Э.; Ламмерт, Пол Э.; Креспи, Винсент Х. (01 октября 2004 г.). «Каталитические наномоторы: автономное движение полосатых наностержней » Журнал Американского химического общества . 126 (41): 13424–13431. дои : 10.1021/ja047697z . ISSN 0002-7863 . ПМИД 15479099 .

[11] Мередит, Калеб Х.; Кастонге, Александр К.; Чиу, Ю-Джен; Брукс, Аллан М.; Моерман, Пепейн Г.; Тораб, Питер; Вонг, Пак Кин; Сен, Аюсман; Велегол, Даррелл; Зарзар, Лорен Д. (2 февраля 2022 г.). «Химический расчет самоходных капель Януса» . Иметь значение . 5 (2): 616–633. дои : 10.1016/j.matt.2021.12.014 . ISSN 2590-2393 .

[:0-12] Перейти обратно: ^а ^б Ли, Цзиньсин; Сингх, Вирендра В.; Саттаясамитсатит, Сирилак; Ороско, Джахир; Кауфманн, Кевин; Донг, Жэньфэн; Гао, Вэй; Хурадо-Санчес, Беатрис; Федорак, Юрий; Ван, Джозеф (25 ноября 2014 г.). «Микродвигатели с водяным приводом для быстрого фотокаталитического разложения боевых биологических и химических отравляющих веществ» (PDF) . АСУ Нано . 8 (11): 11118–11125. дои : 10.1021/nn505029k . ПМИД 25289459 . S2CID 36134174 .

[13] Су, Рен; Тирувалам, Рамчандра; Он, Цянь; Димитратос, Николаос; Кесаван, Локеш; Хаммонд, Кери; Лопес-Санчес, Хосе Антонио; Бехштейн, Ральф; Кили, Кристофер Дж.; Хатчингс, Грэм Дж.; Безенбахер, Флемминг (24 июля 2012 г.). «Стимулирование фоторазложения фенола на TiO с использованием наночастиц Au, Pd и Au – Pd». АСУ Нано . 6 (7): 6284–6292. дои : 10.1021/nn301718v . ПМИД 22663086 .

[14] Гао, Вэй; Фэн, Сяомяо; Пей, Аллен; Гу, Йонге; Ли, Цзиньсин; Ван, Джозеф (2013). «Микродвигатели Janus на основе магния, работающие на морской воде, для восстановления окружающей среды» . Наномасштаб . 5 (11): 4696–700. Бибкод : 2013Nanos...5.4696G . дои : 10.1039/c3nr01458d . ПМИД 23640547 .

[15] Сомасундар, Амбика; Сен, Аюсман (февраль 2021 г.). «Нано и микромоторы с химическим приводом в организме: Quo Vadis?» . Маленький . 17 (5): 2007102. doi : 10.1002/smll.202007102 . ISSN 1613-6810 . ПМИД 33432722 . S2CID 231585127 .

[mice-16] Бурзак, Кэтрин. «Микромоторы впервые плавают в организме» . С&ЕН . Новости химии и техники . Проверено 30 мая 2015 г.

[17] Чжан, Цилу; Донг, Жэньфэн; Ву, Ефэй; Гао, Вэй; Он, Зихан; Рен, Бийе (2017). «Световые микромоторы Au-WO3@C Janus для быстрого фотодеградации красителей». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (5): 4674–4683. дои : 10.1021/acsami.6b12081 . ПМИД 28097861 .

[18] Конг, Лей; Майорга-Мартинес, Кармен; Гуань, Цзяньго; Пумера, Мартин (2018). «Бестопливные легкие микромоторы Janus с TiO2/Pt для ускоренного разложения нитроароматических взрывчатых веществ». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 10 (26): 22427–22434. дои : 10.1021/acsami.8b05776 . ПМИД 29916690 . S2CID 49294307 .

[19] Конг, Лей; Майорга-Мартинес, Кармен; Гуань, Цзяньго; Пумера, Мартин (2020). «Фотокаталитические микромоторы, активируемые УФ-излучением в видимый свет, для восстановления окружающей среды, микронасосов, реверсивной сборки, транспорта и биомимикрии». Маленький . 16 (27): e1903179. дои : 10.1002/smll.201903179 . ПМИД 31402632 . S2CID 199540153 .

[20] Лю, Хуа, Шиян (2017). Высокоэффективные самоходные микродвигатели для очистки воды . Сянхуэй ; Ван, Жуйцинь, Ли , » « 42462–42467 : / 10.1039 C7RA08127H ISSN 2046-2069 .

[21] Бухаланс-Фернандес, Хавьер; Хурадо-Санчес, Беатрис; Эскарпа, Альберто (2023). «Появление микромоторов на металлоорганическом каркасе» . Химические коммуникации . 59 (70): 10464–10475. дои : 10.1039/D3CC02775A . ISSN 1359-7345 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]