论文DOI：10.1021/jacs.9b13093；
共同通讯作者：张泽新教授、王威教授；
通讯作者单位：苏州大学、哈尔滨工业大学（深圳）
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微机器（micromachine）是指能够利用周围环境中能量而进行机械运动的微观装置。微机器既包括通过微加工手段得到的传统微机械结构，也包括通过人工合成得到的，具有驱动特性的微纳粒子。无论何种微机器，控制其运动都至关重要。只有精确地控制了微机器的运动方向、速度和模式，它们在执行任务时才能根据环境变化和任务需求做出响应性和适应性的运动调整，这是实现微机器功能的关键，也是目前微机器研究领域面临的主要挑战之一。本文设计和制备了一种新型光响应的人工合成微机器。通过改变光照强度、入射光方向或者燃料浓度，不但可以调控微机器的运动速度和方向，而且可以实现微机器在圆周运动、螺旋运动、直线运动和随机运动等多种运动模式之间的随意切换。该工作为开展微机器运动的基础研究提供了实验模型，具有重要科学意义；同时对开发多功能微机器也具有实际指导价值。
背景介绍
微机器是目前最活跃的先进材料和先进制造研究领域之一。从1966年科幻电影“Fantastic Voyage”中将微机器送入人体执行手术，到当今各式各样的微机器在生物医药和环境修复等领域为人类服务，微机器不再是科幻电影的遐想元素，而是实实在在的微观设备。正是世界各国科研工作者的不懈努力，才使微机器从实验室里的基础研究走向实际应用，从科学幻想变为现实。
上图：科幻电影FantasticVoyage中，身体被缩小的医生乘坐微机器进入人体血管，执行手术。左下图：微机器用于光动力治疗（DOI:10.1021/acsami.9b07979）。右下图：微纳机器用于癌症诊断与治疗（DOI:10.1007/s40820-019-0350-5）。
研究出发点
微马达（motor）和微转子（rotor）是两种最常见的微机器。微机器目前主要的研究对象是运动模式为平动的微马达，其在药物输运和细胞操纵领域已经崭露头角。而微转子的运动模式主要为转动，它们在胃液，肠液和眼角膜等粘稠生理介质中表现出更强运动能力，有望应用在微搅拌器、微钻孔机械和微手术等生物医学领域。然而，微转子需要特殊的非对称结构才能转动，因此微转子的设计和制备更具挑战性，造成目前微转子的研究还相对匮乏。更难能可贵的是集多运动模式于一身的平动-转动微机器。有了集合多种运动模式的微机器，我们不但可以更精确控制微机器的运动，而且还可以确保微机器在执行复杂任务时，能够根据环境变化和任务需求做出适应性的运动模式调整，是实现微机器功能的关键，也是目前微机器领域面临的最大挑战之一。
针对这一难题与挑战，苏州大学张泽新教授团队首次实现了多模式微机器的合成制备及其运动模式的精确调控。同时，哈尔滨工业大学王威教授团队利用有限元模拟，协助阐明了微机器运动的机理。研究成果以“马达与转子合二为一：基于氧化锌/金棒的运动模式可调的光响应微机器”（Motor and Rotor in One: Light-ActiveZnO/Au Twinned Rods of Tunable Motion Modes）为题发表于国际顶级化学期刊《美国化学会志》（Journal of the American ChemicalSociety, JACS）。文章的第一作者为苏州大学博士研究生杜思南，共同通讯作者为苏州大学材料与化学化工学部张泽新教授和哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院王威教授。该团队设计并制备了集多种运动模式于一体的微机器。在紫外光照射下，通过改变燃料浓度或光强，微机器可以由弹道运动转变为持续旋转运动。此外，通过调节入射光角度，微机器还可以从圆周运动，转化为螺旋运动和直线运动，实现了对微观货物的定点装载和目标释放。
图文解析
图1. 微机器的设计、形貌表征和运动机理。微机器是由两段不同直径的六棱柱氧化锌（ZnO）构成，在棒的一侧覆盖有一层纳米金（Au）。这样的微机器以过氧化氢水溶液为燃料，在紫外光的照射下催化过氧化氢分解产生离子梯度，从而基于自电泳机理进行多模式运动。同时，通过有限元模拟（COMSOL）和粒子速度场分析（PIV）可以协助阐明微机器的运动机理。
图2. 改变燃料过氧化氢的浓度来调控微机器的运动模式。随着燃料浓度的增加，微机器实现了由弹道运动（ballistic）向持续旋转运动的转变。图中彩色的实线是微机器在不同时间的运动轨迹。
图3.改变入射光方向来调控微机器的运动模式。随着入射光角度的增大，微机器从圆周运动，转化为螺旋前进运动，最后转化为直线运动。通过分析微机器的力矩可以理解这种运动模式的调控的机理。
图4.运动模式精确可调的微机器实现微观货物的装载与释放。图中展示微机器：（1）装载、（2）输运和（3）释放货物。这里的货物是直径为1.5微米的聚苯乙烯微球。通过打开紫外光来装载和输运货物，关闭紫外光来释放货物。浅蓝色虚线为微机器的运动轨迹。
总结与展望
我们成功地设计和制备了一种光响应微机器，这种新颖的微机器展现出圆周运动、螺旋运动、直线运动、随机运动等多种运动模式。这些运动模式可以通过简单地调控燃料的浓度、光强或者光源的入射角进行随意切换。制备的光响应微机器既可以作为物理模型来研究非平衡态体系的运动行为，也可以作为构建基元来开发新型多功能微机器。下一阶段，我们将逐步丰富微机器的功能，拓展其在精准医疗和环境修复等领域的应用，为微机器领域的发展与进步做出我们的贡献。
个人总结与感悟
这是我博士生涯发表的第一篇文章，这篇文章也标志着我进入张泽新老师课题组的第三个年头。几百个日日夜夜，都在这一刻凝聚在这方寸的纸上，一如既往的坚持最终带来了胜利的喜悦。但是，这篇文章只是一个开头，后续还有很多研究需要扩展。例如，ZnO/Au微机器的批量制备，微机器的实际应用等课题，现阶段都还没有解决。在接下来的研究工作中，我们会继续改进ZnO/Au微机器的制备方法，并将进一步丰富其功能，实现其应用。
个人心得分享
这个课题历时近三年的时间，我一路走来有辛苦也有喜悦，我不仅收获了高水平的文章，还让我在科研过程中学会了沉淀、得到了成长。2017年9月，作为张泽新老师的第一名博士研究生，我进入了苏州大学软物质化学与物理课题组进行学习。全新的环境和全新的课题，使我感到各种不适应：既有陌生环境带给我生活上的压迫感，又有知识储备不足带给我科研上的焦虑感。我感谢张老师的耐心指导，让我找到了科研的方向；我感谢组上同学们的支持和帮助，让我适应了新环境，还教会了我科研上的新技能；同时，我还要感谢王威老师和周超师兄在计算机模拟方面给予了我很大的支持和精诚合作，这篇文章是两个课题组多位同学共同努力的成果。 回想起文章的投稿过程，12月初老师们决定文章投稿到JACS，我那时并不是很有信心，甚至怀疑编辑是否会送审。直到看到审稿意见的那一刻，审稿人提出了宝贵的意见，也纷纷表达了对我们工作的认可，这对我们是莫大的鼓励，它就像清晨那一缕曙光照在我的心头，让我看到了希望。文章接收的那一刻，我感到不再是惊喜，更多的是内心的平静与踏实。这件事让我深刻的明白了“科研需要沉淀”，也坚定了我从事科研的决心。 最后，我希望在科研路上共同努力的伙伴们再接再厉，无私分享科研心得、积极交流研究成果、时刻迸发思想火花，为科学事业的发展和人类的进步做出更大的贡献。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b13093
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