【摘要】：近半個世紀以來,自驅(qū)動迷你馬達因其自發(fā)運動,在動態(tài)自組裝、仿生及油水分離等諸多領域具有潛在應用價值。其自驅(qū)動運動過程可以通過引入電場、磁場,氣泡驅(qū)動,Marangoni效應以及材料特性等方式得以實現(xiàn)。然而,絕大多數(shù)自驅(qū)動體系中對器件初始運動的控制性較弱。因此,本論文中,我們提出“功能協(xié)同智能系統(tǒng)”的概念,通過引入兩種或以上刺激響應智能表面,利用其協(xié)同作用完成復雜功能。基于pH響應智能表面浸潤性的改變,作為器件在垂直方向初始運動的開關(guān)。針對經(jīng)典“鉑催化雙氧水分解”體系中,因活性氧破壞器件表面性質(zhì)而引起的器件使用壽命問題,我們發(fā)展并采用多種驅(qū)動方式,避免引入活性分子,實現(xiàn)器件的持久運動。通過進一步優(yōu)化器件表面浸潤性質(zhì),完成器件在垂直方向的循環(huán)運動。為了發(fā)展智能器件可控運動的新應用,我們課題組較早開展了基于智能器件可控運動在電磁發(fā)電方面的工作,將智能器件的下潛/上浮循環(huán)運動與經(jīng)典法拉第電磁感應定律相結(jié)合,通過器件往復運動切割平行磁場,實現(xiàn)電能的穩(wěn)定、持久輸出。主要工作如下:1.將pH響應智能表面與鹽酸響應的鎂集成功能協(xié)同智能系統(tǒng),利用pH-響應智能表面的超疏水-超親水浸潤性質(zhì)轉(zhuǎn)變,作為器件初始運動的開關(guān);利用鎂和鹽酸反應產(chǎn)生的氣體,調(diào)控器件在溶液中的比重,完成其在垂直方向的下潛/上浮運動;通過還原性氣體氫氣代替氧氣,解決了器件的壽命問題。并通過智能器件在垂直方向的可控運動驅(qū)動導線切割平行磁場,實現(xiàn)由化學能到電能的有效轉(zhuǎn)換。針對智能表面在水氣界面無法快速釋放氣體完成器件再下潛運動的難題,我們研究不同浸潤性質(zhì)表面對器件運動行為的影響,發(fā)現(xiàn)pH-疏水智能器件可以用于實現(xiàn)器件在垂直方向的下潛/上浮循環(huán)運動及電能的穩(wěn)定持久輸出。2.通過仿生魚鰾功能,制備氣壓響應智能器件。引入超疏水表面使其吸附定量氣體;通過施加/釋放體系壓力,調(diào)控器件比重在溶液比重上下,完成智能器件在垂直方向的可控運動。該方法有效解決了器件的壽命問題,同時避免了通過外加燃料驅(qū)動器件的再運動過程。進一步將氣壓驅(qū)動器件在垂直方向的可控運動與經(jīng)典法拉第電磁感應定律相結(jié)合,實現(xiàn)了電能的穩(wěn)定輸出。并通過試驗不同頻率時器件的運動及發(fā)電行為,發(fā)現(xiàn)智能器件可在較長頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)規(guī)律運動。3.將紅外光驅(qū)動與超疏水吸光材料相結(jié)合,基于光熱轉(zhuǎn)換原理,改變器件表面局部溫度,調(diào)控定量氣體體積,進而實現(xiàn)器件比重在溶液比重上下變化,完成器件在垂直方向的可控運動;并將紅外光驅(qū)動拓展到太陽光驅(qū)動,完成智能器件在垂直方向的下潛/上浮循環(huán)運動。
【圖文】：

通過顯微鏡觀察納米線馬達在水樣中的運動速率來判定水樣中銀離子的存在與否。其逡逑原理是基于電勢差水樣中的銀離子得到電子沉積在納米線的鉑端，進而提高雙金屬納逡逑米線馬達的電催化活性，，進而提高納米棒的運動速度（圖１－２邋ａ）。［３８］并且通過在體逡逑系中引入多種不同價位離子，測試該方法對重金屬銀離子的高效選擇性。然而，僅僅逡逑完成對水樣的檢測還遠遠不夠，是否可以去除環(huán)境中的污染物對環(huán)境進行修護。該課逡逑題組利用過氧化氫溶液的強氧化性原位氧化有機磷酸酯（圖１－２邋ｂ），使其降解成低毒逡逑性的對硝基酚，并且在自驅(qū)動微管運動自身提供“物理攪拌”的作用下，提高了有機逡逑磷酸酯的降解速率。１３９１隨后，Ｓ．邋Ｓａｎｃｈｅｚ教授提出“運動和破壞”的概念，制備雙功逡逑能自驅(qū)動馬達，在馬達自發(fā)運動的同時，通過發(fā)生芬頓反應產(chǎn)生活性羥基，進而氧化逡逑降解水溶液中的有機分子（圖１－２邋ｃ）。｜２（）１海洋水約占整體水量的％邋％，因此維持海逡逑洋水資源的清潔極為重要。近年來

逑在微管表面修飾長鏈烷基使其表面具有疏水親油的性質(zhì)，利用馬達的自由運動，運載逡逑并清除環(huán)境中的油污（圖１－２邋ｄ）。［２２］然而，微馬達因其尺寸及運動速度所限，很難逡逑應用于大規(guī)模環(huán)境治理�？茖W家指出通過增大馬達尺寸是提高環(huán)境治理效率的一種有逡逑效途徑。逡逑ａ）；ｊＡ邋ｉ邐｜｜［ｂ）＾ＩＴ邐，Ｎ0２逡逑ｆ邋助－邐Ｉ邐Ｘ＞Ｎ0２邐ｗ邋＋逡逑Ｉ、邋Ｉ邋＜邋ｙ０Ｈ邋。卜逡逑ｈ邋Ｉ邋Ｍ邐NB。０Ｒ。逡逑Ｊ邐００Ｈ－邋ｆ邋＼逡逑＾邐－￣￣邐￣￣邋－邋－逡逑ｃｉ：邐：邋ｄ）邋１邋二媝逡逑獲》？１＊0？？邐？．邋Ｈ，０：邋—’邋ｆｆ＊邋Ｏｈ邋？邋Ｈ0邐＾邋Ｉ邋？逡逑圖１－２自驅(qū)動馬達在環(huán)境治理方面的應用。（ａ）檢測水樣中銀離子的存在（引文Ｐ８］）；（ｂ）分逡逑解有機磷酸酯降低毒性（引文Ｐ９］）；邋（ｃ）基于芬頓反應降解有機物（引文［２０］）；邋（ｄ）油污清除（引逡逑文［２２］）。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ｓｅｌｆ－ｐｒｏｐｅｌｌｅｄ邋ｍｏｔｏｒ邋ｉｎ邋ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ邋ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM50

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本文編號：2541763