微納米馬達可在狹小空間內(nèi)完成諸多任務,是小尺度目標精確操控的重要工具。過去十年,微納米馬達已逐步實現(xiàn)了高精度的自動控制功能。同時,通過與材料領域的交叉結合,直接實現(xiàn)了其在材料中的傳感、驅(qū)動與控制。需要指出的是,與材料學領域結合的微納米馬達已經(jīng)兼具了形變特性,成為典型的柔性微納米機器人。目前,柔性微納米機器人多為片狀或線形結構,外界刺激可以使微納米機器人實現(xiàn)彎曲、轉向等靈活的變形操作。但是此類機器人在面對比自身尺寸更為狹小的通道結構時,則無法順利通過�；诖�,本文設計一種磁導向柔性液滴,通過向液滴中加入納米鎳粉顆粒,使其能夠在磁場控制下穩(wěn)定的通過狹縫通道,并結合電控實驗,證明其在醫(yī)療領域的應用意義。首先,對柔性液滴的生成、變形和電場操縱等行為進行理論推導。結合多相流微流體理論,對滴流模式下液滴成形機理進行分析,并進一步推導出液滴直徑的預測公式;對磁導向柔性液滴在磁場作用下,通過狹縫結構時不同情況下的變形受力進行闡述;依據(jù)電動流體力學理論,深入研究了雙乳液滴內(nèi)核釋放以及液滴融合的電場操縱機理。其次,在理論研究的基礎上,建立柔性液滴生成和變形仿真模型。利用相場的方法,構建液滴的生成模型分析液... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

多種方法制備微納米機器人

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文5圖案，去除犧牲層后，帶狀圖案自動彎曲成螺旋形，最后再與Cr/Ni/Au薄膜制備的軟磁頭相結合，制備螺旋形機器人，如圖1-3a)所示。該裝置能夠完成六個自由度的操作。2014年，Gao等人[48]通過從植物根莖中提取螺旋形狀結構，依次在其表面涂抹Ni層和Ti層，分別獲得磁驅(qū)動能力和改善粘性阻力特性，如圖1-3b)所示。為螺旋形機器人的大量制備提供了新方法。2015年，Kostarelos等人[49]利用旋轉磁場，成功實現(xiàn)了在小鼠體內(nèi)實現(xiàn)了群體螺旋形微納米機器人的驅(qū)動。a)卷成技術制備螺旋結構機器人[47]b)植物根莖制備螺旋結構機器人[48]圖1-3螺旋結構微納米機器人近年來，通過與高分子聚合物材料相聯(lián)合，微納米機器人具備了柔軟的特性。2016年，Li等人[50]使用光刻技術制作了雙層水凝膠結構的柔性微米機器人。PEGDA水凝膠中包裹Fe3O4納米顆粒用于機器人在磁場下的驅(qū)動，另一層為PHEMA水凝膠，該凝膠會隨著環(huán)境PH值的變化而改變形態(tài)。柔性微米機器人在pH值為9.58時表現(xiàn)出完整的捕獲運動，在pH值為2.6時表現(xiàn)出展開運動，如圖1-4a)所示。該機器人在堿性溶液中抓捕抗癌藥物，在磁場驅(qū)動下運動到癌細胞環(huán)境中，成功實現(xiàn)靶向藥物的運輸，完成了乳腺癌細胞毒性試驗。2018年，Lee等人[51]使用海藻酸鈉-NIPAM的水凝膠混合材料制作螺旋結構微米機器人。該混合材料中包含磁性納米顆粒，用于機器人在旋轉磁場下的驅(qū)動；該機器人在高溫下（45°C），會失水收縮，在低溫下（23°C）會從周圍環(huán)境中吸收水分膨脹，如圖1-4b)所示。借此特性實現(xiàn)藥物低溫下的封裝以及高溫下的釋放。2018年，Etriby等人[52]制作了蝌蚪結構的柔性機器人，體內(nèi)包含磁性納米顆粒。該機器人由頭部和尾部兩部分組成，頭部用來導向，尾部在

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文7圖1-5電潤濕方式操控液滴[54]非接觸式操控液滴主要通過電致融合原理。相比于接觸式操縱會受到實驗芯片以及加工工藝的限制，電致融合方法擁有對連續(xù)性大通量液滴操控的優(yōu)勢[56]。根據(jù)電致融合現(xiàn)象操縱液滴最早是在石油領域[57,58]。開采的原油中會有水相，因為油水不混溶，水相在原油中往往以液滴的形式存在。在石油的后續(xù)處理階段，需要進行油水分離，就需要將水相進行融合、聚團和沉淀等操作。在原油中插入電極施加高壓電，水滴會在電極之間呈現(xiàn)鏈式排列。隨后，離散的液滴逐漸融合沉積在原油底部。液滴微流控技術的提出使液滴融合具有了全新的應用價值。液滴在芯片中常被用作反應器[59-61]，而液滴融合是兩種不同反應物接觸、混合和反應的重要過程。Chabert等人[62]于2005年利用電致融合技術率先在微通道內(nèi)實現(xiàn)了水相液滴之間的接觸融合。在后續(xù)的工作中，學者們向液滴中包含了不同種類的反應物，來實現(xiàn)液滴作為微反應器的應用價值。本課題組的賈延凱博士[63]完成了三核雙乳液滴在電場作用下的順序融合。融合順序可根據(jù)內(nèi)核的體積來精確控制，如圖1-6所示。在電導率相同的條件下，兩個體積較大的內(nèi)核先融合，再與第三個內(nèi)核融合。融合順序也可以根據(jù)內(nèi)核的電導率來精確控制。在體積近似相同的條件下，較大電導率的內(nèi)核先融合再與第三個內(nèi)核相融。雙乳液液滴中進行的微反應由油殼保護，油殼將試劑與外部環(huán)境隔離，避免可能的交叉污染。圖1-6液滴多個內(nèi)核順序融合示意圖[63]

【參考文獻】：
期刊論文
[1]納米金屬Ni的飽和磁化強度和居里溫度的尺寸依賴效應[J]. 李平云,操振華,陸海鳴,孟祥康.  南京大學學報(自然科學版). 2009(02)

碩士論文
[1]基于雙乳液滴的導向性微膠囊制備及內(nèi)核可控釋放研究[D]. 趙艷鑫.哈爾濱工業(yè)大學 2018



本文編號：3297031