微纳米马达是一种能够有效将各种能源转化为自主迁移的微纳米级装置。它们的自主推进特性在生物医学、传感、环境修复等领域中具有重要的应用前景。为实现有效自主推进，微纳米马达需克服自身布朗运动，设计并制备不对称微纳米马达结构为解决此问题的有效策略之一。目前已有多种技术可实现这一目的，包括物理气相沉积、溶液合成、电化学沉积等。然而，实现大规模且灵活的微纳米马达生产技术仍然面临挑战。
香港大学唐晋尧课题组近日提出了一种基于TiO2微球阵列，利用微球自聚焦光刻的Janus微米马达制备方法，这种方法灵活且可大规模制备，所制备的微米马达可实现多功能且精确的调控运动。
图1为具体的制备流程。首先，利用光刻技术制备以PDMS为基板的TiO2阵列；随后，在TiO2阵列上旋涂SU-8，并通过从底部引入450 nm蓝光， 利用TiO2微球对蓝光的聚焦效应以实现SU-8的局域性固化。模拟结果表明TiO2微球可将入射光强度在微球焦点处聚焦增强约四倍；电镜表征显示在16-39 mJ/cm2能量范围内，聚焦后的光场可局域固化SU-8呈尖端形状。
图1. TiO2@SU-8 Janus 微米马达制备过程及形貌表征
此方法所制备的尖端与微球形成的不对称结构，使得TiO2@SU-8微米马达在UV光照射下具有自推进能力。将TiO2@SU-8微米马达置于氧化还原燃料系统中，并从样品底部照射UV光。由于UV光有限的穿透能力，微米马达上方光强较低，由此生成较低的光电压。这种上下不平衡的光化学反应使得正负电荷离子在微米马达周围不均匀分布，从而产生电场并诱导生成电渗流。模拟结果表明，微球上的尖端引可引起水平流场分量差异，进而产生指向尖端的推进力，使马达朝尖端方向移动。此外，该马达在三种不同的氧化还原燃料系统中均可实现有效自推进效果，且速度与燃料浓度和光照强度均呈正相关，并在足够光强下达到饱和。
图2. TiO2@SU-8 Janus 微米马达在UV光驱动下的运动机理及不同氧化还原燃料系统中的运动
通过对TiO2微球进行染料敏化，TiO2@SU-8 Janus可对蓝光有所响应。相反于UV光场，由于微球对蓝光的聚焦效应，马达上方光强更强，最终产生相反方向的推进力使微马达从头部向前移动。
图3. TiO2@SU-8 Janus 微米马达在蓝光驱动下的运动及机理
此外， SU-8优异的化学兼容性同样为增强TiO2@SU-8微米马达的多功能性提供潜能。通过在SU-8尖端整合荧光材料（罗丹明、颜料绿-7、颜料蓝-5），TiO2@SU-8微米马达可具备RGB发光特性，这在光变胶体墨水中将具有应用前景。此外，通过向SU-8尖端中引入磁性Fe3O4纳米粒子，在光&磁场协同作用下可实现规定轨迹运动，如“w”形、矩形和星形。类似的，通过整合导电Au纳米粒子， TiO2@SU-8微米马达可被垂直方向的交流电场驱动。这种运动在1kHz-1MHz频率范围内，速度与频率呈反比关系：U ∝ E0²/ω，与电压的平方呈线性正比关系。
图4. SU-8尖端功能化修饰的TiO2@SU-8 Janus 微米马达
基于SU-8尖端在TiO2微球上组装的高稳定性，通过双重曝光技术可在TiO2微球上生成双尖端结构。例如，通过先后在TiO2微球上生成掺有罗丹明的红色荧光SU-8尖端和不含荧光染料的SU-8尖端，双功能尖端微米马达在UV照射下具有良好的推进性能和荧光示踪能力，因此说明该制备方法在多功能集成马达的制备中具有较高的潜力。
图5. 双尖端多功能TiO2@SU-8 微米马达制备
本文小结
本工作提出了一种大规模Janus微米马达的制备方法，即在蓝光照射下，通过TiO2微球阵列对SU-8进行自聚焦光刻而形成“球-尖”结构。通过染料敏化TiO2球体， TiO2@SU-8微米马达可通过光电化学反应诱导生成的电渗流实现可控的双向迁移；通过对SU-8尖端修饰荧光染料、磁性及导电纳米颗粒，此微米马达可具备荧光发射、磁场和电场响应等功能。此外，本工作还成功制备了双尖端多功能微米马达，以说明此制备方法的灵活性和其在制备多功能集成马达领域的巨大潜力。
论文信息：
Modular Micromotor Fabrication with Self-Focusing Lithography
Qingxin Guo, Binglin Zeng*, Yingnan Cao, Xiaofeng Li, Jingyuan Chen, Wei Wang, Jinyao Tang*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202401388
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