自然界中的個體可通過交互組成群體,不僅能夠表現(xiàn)出復(fù)雜的集群行為,還能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化的功能。類似于自然界的集群行為,人造微納馬達(dá)群體可通過內(nèi)部交互和環(huán)境交互形成集群體,從而展現(xiàn)出遠(yuǎn)超微納馬達(dá)個體的功能性。微納馬達(dá)是一種可以將環(huán)境能量轉(zhuǎn)化為自身機(jī)械能的微納尺度機(jī)器人。不同的能量在驅(qū)動微納馬達(dá)時具有各異的優(yōu)勢,而光能作為一種隨處可見,控制方式簡單的能源,可將宏觀的光能梯度轉(zhuǎn)化為化學(xué)濃度梯度,通過擴(kuò)散泳機(jī)理驅(qū)動微納馬達(dá)運(yùn)動,在實現(xiàn)微納馬達(dá)集群方面具有突出的優(yōu)勢,從而有效解決單體微納馬達(dá)無法應(yīng)對大尺度環(huán)境污染、大面積組織病變的問題。然而,目前光驅(qū)擴(kuò)散泳微納馬達(dá)的研究多集中于現(xiàn)象研究,缺乏對內(nèi)部機(jī)理的深入闡釋,也缺乏面向應(yīng)用的集群策略。因此,研究光驅(qū)擴(kuò)散泳微納馬達(dá)的驅(qū)動機(jī)理和集群行為,可以為擴(kuò)散泳微納馬達(dá)的設(shè)計提供優(yōu)化參數(shù),對提高光驅(qū)微納馬達(dá)的應(yīng)用范圍和作用效果具有重要意義。本文采用理論、實驗和仿真結(jié)合的方法,在理論層面從半導(dǎo)體的物化特性入手,從光電效應(yīng)角度闡明半導(dǎo)體內(nèi)部的能級分布規(guī)律和載流子分布規(guī)律,基于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)及阱輔助復(fù)合方式探究了氧化鐵光注入非平衡載流子時電導(dǎo)率的變化規(guī)律和載流子的復(fù)合機(jī)理,并根據(jù)熱電子發(fā)射機(jī)理分析了半導(dǎo)體內(nèi)部電子在熱發(fā)射過程中的逸出特性。根據(jù)氧化鐵與過氧化氫的光照芬頓反應(yīng),闡釋了反應(yīng)產(chǎn)物的構(gòu)成及PH值對產(chǎn)物組分的影響規(guī)律�；陔娀瘜W(xué)原理揭示了馬達(dá)表面反應(yīng)離子交換率的影響因素。基于雙電層理論及玻爾茲曼分布規(guī)律分析了馬達(dá)表面物理特性和溶液內(nèi)部化學(xué)特性對馬達(dá)與溶液界面相互作用的影響規(guī)律。闡明了溶液環(huán)境內(nèi)各個物理場模塊的控制方程,并根據(jù)控制方程分析了物理場之間的單向耦合關(guān)系,建立了全耦合的擴(kuò)散泳微納馬達(dá)溶液環(huán)境物理場模型。針對單一介質(zhì)溶液環(huán)境,設(shè)計了圖案化集群實驗裝置,采用高溫水熱法制備氧化鐵微納顆粒,并對其形貌、尺寸、晶相、元素及光吸收特性進(jìn)行表征,實驗研究了微納馬達(dá)光照下的圖案化集群行為。建立微納馬達(dá)圖案化集群的全耦合有限元模型,將反應(yīng)工程、化學(xué)、靜電、流體、粒子示蹤等多個物理場耦合并研究了微納馬達(dá)集群過程中整個系統(tǒng)內(nèi)的濃度分布、電場分布、流線分布及粒子排布,針對該集群方法在微納制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景,探究了各類參數(shù)對馬達(dá)集群圖案邊緣銳度的影響規(guī)律。從單向介質(zhì)溶液環(huán)境拓展到兩相介質(zhì)溶液環(huán)境,基于光驅(qū)擴(kuò)散泳機(jī)理設(shè)計了由微納馬達(dá)集群體驅(qū)動的液滴機(jī)器人。通過實驗方法對油相中裝載有過氧化氫溶液及馬達(dá)集群體的液滴,在局部光照下受擴(kuò)散泳力驅(qū)動的運(yùn)動行為進(jìn)行了研究。為了實現(xiàn)微納馬達(dá)集群的可重構(gòu)化及液滴的動態(tài)控制,通過控制光照位置將多個液滴融合為一體�；诠怛�(qū)擴(kuò)散泳多物理場模型,將模型耦合至兩相流中,探究了光驅(qū)擴(kuò)散泳驅(qū)動機(jī)理下的兩相流界面變化規(guī)律,并進(jìn)一步研究了正反應(yīng)速率、馬達(dá)半徑、兩相遷移率對液滴驅(qū)動效果的影響。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

具有廣闊的應(yīng)用前景[8-15]。由于固態(tài)微納馬達(dá)的合成難度較大，早期針對馬達(dá)的研究多集中于對非固體馬達(dá)，即分子馬達(dá)和液體馬達(dá)上[16-20]。近年著各種新型合成技術(shù)的不斷發(fā)展，基于聚合物、金屬、非金屬無機(jī)物的微達(dá)得到了快速發(fā)展，其發(fā)展里程碑如圖 1-1 所示。在微觀尺度上，粘性力著慣性力，為了克服這一挑戰(zhàn)，自然界中進(jìn)化出了許多可利用環(huán)境能量的技術(shù)，如許多微生物具有在水中靈活劃槳的能力。受上述自然現(xiàn)象的啟發(fā)一個人工自驅(qū)動的固態(tài)微納馬達(dá)可以通過不對稱的過氧化氫燃料分解為氧成反應(yīng)產(chǎn)物梯度，推進(jìn)馬達(dá)前進(jìn)。隨著這一類固態(tài)馬達(dá)的問世，微納馬達(dá)勃發(fā)展，研究領(lǐng)域不斷交叉擴(kuò)散，從機(jī)電、物理化學(xué)領(lǐng)域拓展到生物、材料學(xué)等多個學(xué)科。從化學(xué)反應(yīng)角度看，研究微納馬達(dá)可以使馬達(dá)材料快速有分散在溶劑內(nèi)，從而提高化學(xué)反應(yīng)效率。從微納運(yùn)輸角度看，具有獨特表能的微納馬達(dá)可以更容易地與反應(yīng)試劑或特定受體結(jié)合，以提高樣品及試溶液內(nèi)的運(yùn)輸效率。此外，針對微納馬達(dá)的多種推進(jìn)策略及各類表面反應(yīng)催生多樣的化學(xué)反應(yīng)平臺，促進(jìn)一系列化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)系統(tǒng)化。因此，從微達(dá)角度，微納馬達(dá)的研究對促進(jìn)其他學(xué)科的研究進(jìn)展具有重大意義和深遠(yuǎn)。

在光照條件下，馬達(dá)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，非對稱的表面反應(yīng)速率引發(fā)度梯度作用在流體上形成壓力引發(fā)流體流動，進(jìn)而驅(qū)動馬達(dá)運(yùn)動驅(qū)動材料多樣、設(shè)計思路簡單、控制策略多樣，因此成為了目前領(lǐng)域的研究熱點。外，由于單體微納馬達(dá)作用面積為微米級，在實際應(yīng)用中無法針病變、大面積環(huán)境污染等宏觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯作用效果，針對這一達(dá)的集群作用受到了廣泛關(guān)注。集群是指微納馬達(dá)在自身或者外，馬達(dá)之間及馬達(dá)和溶液之間產(chǎn)生交互，形成集群體的現(xiàn)象。集界中較為普遍，如圖 1-3 所示，大型魚群可通過改變形狀和內(nèi)部圍環(huán)境，成群的大雁排成特殊形狀飛行，以減少遷徙時的空氣阻則可以運(yùn)輸比它們身體更大更重的食物，狼群在狩獵時群集而動種狩獵策略團(tuán)結(jié)協(xié)作，保護(hù)自己。因此從仿生學(xué)角度分析，微納略可以擴(kuò)大微納馬達(dá)的作用尺寸，提高作用效果，在面對大尺度環(huán)境污染，輸送大尺度物體時具有突出的應(yīng)用。眾多集群機(jī)理中機(jī)理可將宏觀光場分布轉(zhuǎn)換為濃度場分布，可用于設(shè)計集群策略馬達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域方面具有優(yōu)勢。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文綜上，為了促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，提高對生物自組織集群行為的認(rèn)識，單一微納馬達(dá)無法在大面積、大尺度、大負(fù)載環(huán)境下發(fā)揮作用的難題，本光驅(qū)擴(kuò)散泳微納馬達(dá)為切入點，深入研究擴(kuò)散泳微納馬達(dá)在不同介質(zhì)環(huán)境集群行為，為拓展光驅(qū)微納馬達(dá)在生物醫(yī)療領(lǐng)域及微機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。.2 光驅(qū)擴(kuò)散泳微納馬達(dá)研究現(xiàn)狀近幾個世紀(jì)以來，擴(kuò)散泳被認(rèn)為是理解晦澀，要求苛刻的實驗現(xiàn)象[40]。在化學(xué)實驗室、人體、地層等環(huán)境中，基于擴(kuò)散泳機(jī)理的微觀輸運(yùn)現(xiàn)象普遍由于微納尺度粘滯力作用，微觀輸運(yùn)的應(yīng)用領(lǐng)域受到了限制。因此，研究泳本身有助于為微納尺度輸送提供新的靈感，研究光驅(qū)擴(kuò)散泳微納馬達(dá)則前沿科學(xué)結(jié)合，為微納馬達(dá)領(lǐng)域的發(fā)展提供新的契機(jī)。
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本文編號：2858430