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光驱扩散泳微纳马达集群行为研究

【摘要】:自然界中的个体可通过交互组成群体,不仅能够表现出复杂的集群行为,还能够实现多样化的功能。类似于自然界的集群行为,人造微纳马达群体可通过内部交互和环境交互形成集群体,从而展现出远超微纳马达个体的功能性。微纳马达是一种可以将环境能量转化为自身机械能的微纳尺度机器人。不同的能量在驱动微纳马达时具有各异的优势,而光能作为一种随处可见,控制方式简单的能源,可将宏观的光能梯度转化为化学浓度梯度,通过扩散泳机理驱动微纳马达运动,在实现微纳马达集群方面具有突出的优势,从而有效解决单体微纳马达无法应对大尺度环境污染、大面积组织病变的问题。然而,目前光驱扩散泳微纳马达的研究多集中于现象研究,缺乏对内部机理的深入阐释,也缺乏面向应用的集群策略。因此,研究光驱扩散泳微纳马达的驱动机理和集群行为,可以为扩散泳微纳马达的设计提供优化参数,对提高光驱微纳马达的应用范围和作用效果具有重要意义。本文采用理论、实验和仿真结合的方法,在理论层面从半导体的物化特性入手,从光电效应角度阐明半导体内部的能级分布规律和载流子分布规律,基于电导调制效应及阱辅助复合方式探究了氧化铁光注入非平衡载流子时电导率的变化规律和载流子的复合机理,并根据热电子发射机理分析了半导体内部电子在热发射过程中的逸出特性。根据氧化铁与过氧化氢的光照芬顿反应,阐释了反应产物的构成及PH值对产物组分的影响规律。基于电化学原理揭示了马达表面反应离子交换率的影响因素。基于双电层理论及玻尔兹曼分布规律分析了马达表面物理特性和溶液内部化学特性对马达与溶液界面相互作用的影响规律。阐明了溶液环境内各个物理场模块的控制方程,并根据控制方程分析了物理场之间的单向耦合关系,建立了全耦合的扩散泳微纳马达溶液环境物理场模型。针对单一介质溶液环境,设计了图案化集群实验装置,采用高温水热法制备氧化铁微纳颗粒,并对其形貌、尺寸、晶相、元素及光吸收特性进行表征,实验研究了微纳马达光照下的图案化集群行为。建立微纳马达图案化集群的全耦合有限元模型,将反应工程、化学、静电、流体、粒子示踪等多个物理场耦合并研究了微纳马达集群过程中整个系统内的浓度分布、电场分布、流线分布及粒子排布,针对该集群方法在微纳制造领域的应用前景,探究了各类参数对马达集群图案边缘锐度的影响规律。从单向介质溶液环境拓展到两相介质溶液环境,基于光驱扩散泳机理设计了由微纳马达集群体驱动的液滴机器人。通过实验方法对油相中装载有过氧化氢溶液及马达集群体的液滴,在局部光照下受扩散泳力驱动的运动行为进行了研究。为了实现微纳马达集群的可重构化及液滴的动态控制,通过控制光照位置将多个液滴融合为一体。基于光驱扩散泳多物理场模型,将模型耦合至两相流中,探究了光驱扩散泳驱动机理下的两相流界面变化规律,并进一步研究了正反应速率、马达半径、两相迁移率对液滴驱动效果的影响。

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