一種基于液態(tài)金屬的磁控馬達、制造方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及流體機械領(lǐng)域，具體涉及一種基于液態(tài)金屬的磁控馬達、制造方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]微小物體的運動在未來的工業(yè)、環(huán)境治理以及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景。現(xiàn)在主要研究的應(yīng)用主要集中在藥物遞送、傳感檢測等方面，如有研究利用微小物體的自驅(qū)動運動進行捕獲與分離腫瘤細胞，也有研究將微小物體的表面進行化學(xué)修飾，標記抗體，進行抗原檢測，或者標記含有ATP與α -凝血酶的配體，使其具有選擇性裝載蛋白，然后運動至靶向位置進行釋放。這些微小物體的運動使得其相應(yīng)的應(yīng)用不再完全限于空間某一位置，因而更具實際意義。
[0003]近年來，多種驅(qū)動微小物體的運動方式已被廣泛研究，如采用電場、磁場、光、超聲、溫度梯度等方法進行驅(qū)動或控制運動。這些運動依靠外界供能，部分能量轉(zhuǎn)化為動能，因而其運動具有很好的可控性，自損耗性相對較小，壽命得以延長。但是，這些微小物體的運動必須在外部能量供應(yīng)器械存在的情況下才能實現(xiàn)，而這些能量供應(yīng)器械的存在使得整個運動實現(xiàn)體系所需空間增大。再者，用外部能量供應(yīng)的方式驅(qū)動微小物體的運動，會限制微小物體運動應(yīng)用范圍。如若想應(yīng)用拓展到生物體上，所引入的電場強度不能過大，否則易誘發(fā)不安全因素，但不夠強的電場又可能無法驅(qū)動微小物體的運動。再如，采用光來觸發(fā)或?qū)崿F(xiàn)微小的物體的運動，則需考慮若光無法直射或者沿程衰減的情景，進而也限制其應(yīng)用范圍。綜合考慮，采用磁場或者超聲等方式為微小物體的運動提供能量，是一種較為穩(wěn)妥的方法，可得微小物體的運動具有更好的實用性。
[0004]除了上述靠外部能量供應(yīng)來實現(xiàn)微小物體的驅(qū)動運動外，現(xiàn)在很多研究開始聚焦于微納尺度下的人工合成馬達(也有稱之為微型發(fā)動機、微型機器、微型運輸機等等)，此類馬達可以自驅(qū)動運動，即不再需要外部的能量供應(yīng)即可運動。現(xiàn)今研究出的各種自驅(qū)動馬達，仍有許多方面需要加以改進，才能提升或擴展其應(yīng)用價值。比如，許多的自驅(qū)動運動的可控性不高，多為隨機運動，因而運動軌跡定向性不好，使得馬達不能按需到達目標位置。此外，微納尺度下的馬達的運動速度雖相對于其自身體長而言足夠快，但是，其實際相對于宏觀環(huán)境而言卻很小，多在微米量級。因而，在長距離的運輸方面則會有耗時過長或壽命不足等問題。再者，馬達的大小在微納尺度下，則其攜載能源物質(zhì)的能力非常有限，進而其運動壽命很短，多為幾秒鐘到幾分鐘，這使得其能完成的使命都是簡單而短暫的，而對于復(fù)雜度稍高的任務(wù)則無用武之地。
[0005]為解決上述微小物體的運動或自驅(qū)動運動所面臨的各種問題，一方面考慮將物體尺寸增大，另一方面采用外加磁場進行控制是較為科學(xué)的辦法。其中，增加物體的尺寸，可以增強其供能原料的攜載能力，可以解決其壽命短以及絕對運動速度低等問題。而外磁場不僅可以驅(qū)動其運動，還可以采用外磁場控制自驅(qū)動運動的軌跡或起止，可以解決自驅(qū)動運動的可控性問題，而且磁場可在微小物體自驅(qū)動運動耗完能源材料后驅(qū)動其繼續(xù)運動，最終完成任務(wù)。
[0006]因而，若能實現(xiàn)微小物體即可自驅(qū)動運動，又可通過外磁場來進行控制或驅(qū)動，則將拓展微小物體運動的范圍，更具有實際意義。本發(fā)明則提出一種可行的磁控基于液態(tài)金屬的馬達的設(shè)計方法。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計一系列相關(guān)的實際應(yīng)用，以增強其實際應(yīng)用價值。此種小型磁控液態(tài)金屬馬達的相關(guān)技術(shù)從未見于文獻和專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供基于液態(tài)金屬的磁控馬達、制造方法及其應(yīng)用，使得馬達的驅(qū)動運動在不依賴外界能量的供給的前提下，具有高度可控性，且馬達的設(shè)計與控制簡單易行，填補了自體供應(yīng)能量驅(qū)動物體運動可控性的空白，具有極大的自主能動性以及可控性。
[0008]為達到這些目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0009]—種基于液態(tài)金屬的磁控馬達，包括液態(tài)金屬2，電鍍在液態(tài)金屬2部分表面的鎳層3ο
[0010]所述液態(tài)金屬2采用在室溫條件下具有流動性的液態(tài)金屬或合金材料，包括鎵或鎵銦或鎵銦錫合金，通過不同的配比使其在室溫下呈液體狀態(tài)，便于取用，其用量根據(jù)需要從 10 μ L ?1000 μ L0
[0011]所述部分表面為液態(tài)金屬2表面的1/5?1/2。
[0012]上述所述基于液態(tài)金屬的磁控馬達的制造方法，首先，將一定量的液態(tài)金屬材料在鍍鎳溶液中用電化學(xué)工作站在液態(tài)金屬2表面部分區(qū)域鍍上一層鎳層3，形成磁控小馬達；磁控馬達的液態(tài)金屬在水溶液中與鋁反應(yīng)獲得自驅(qū)動運動能力；具體方法為:將一定量的液態(tài)金屬材料置于鍍鎳溶液中，用電化學(xué)工作站在-1.0V(3Μ KCl Ag/AgCl)將液態(tài)金屬材料表面鍍鎳600s至液態(tài)金屬材料的部分表面覆有一層鎳薄層，即形成基于液態(tài)金屬的磁控小馬達；然后將鍍好鎳的磁控小馬達取出，用去離子水清洗后，置于水溶液中，用鑷子夾去一小片招猜與液態(tài)金屬材料接觸至液態(tài)金屬材料被招片吸附，然后招被腐蝕，集中至鎳層3附近，鎳層3表面產(chǎn)生大量氣泡，隨即含鎳的液態(tài)金屬開始自驅(qū)動運動。這種運動可加上電場，使得運動更為高效快速。此外，這種運動可受外部磁場的控制，從而改變運動軌跡、控制液態(tài)金屬運動起止位置，且當(dāng)鋁燃料被消耗完后，液態(tài)金屬還可用磁場引導(dǎo)其繼續(xù)運動，直至運動到達預(yù)期位置。
[0013]所述鍍鎳溶液采用10?30g/L氯化鎳、300?400g/L氨基磺酸鎳、30?40g/L硼酸混合而成，在PH為3?5，溫度在30?50°C，_1.0V，Ag/AgCl，3M KCl條件下在液態(tài)金屬部分表面鍍鎳300?600s。
[0014]所述水溶液3采用HCl溶液和NaCl溶液中的一種或兩種溶液的混合，或者NaOH溶液、Na2CO3溶液和NaCl溶液中的一種或多種溶液的混合，濃度在0.lmol/L?0.3mol/L范圍內(nèi)。溶液濃度過低會使發(fā)生的反應(yīng)速度不夠快，自驅(qū)動運動不足，濃度過高則會引起反應(yīng)過快，鋁消耗過快則會縮短其運動壽命。
[0015]上述所述的基于液態(tài)金屬的磁控馬達用于傳感檢測或藥物控釋，在所述磁控小馬達的表面鎳層上聚合一層高分子薄膜；所述高分子薄膜采用能夠在磁控馬達的鎳層表面進行電聚合形成電化學(xué)傳感或者藥物控釋的材料；高分子薄膜在樣品溶液中可通過自身基團共價結(jié)合待測物質(zhì)，然后用一小片鋁接觸磁控小馬達液體金屬部位，觸發(fā)磁控小馬達運動；在外磁場作用下將磁控小馬達牽引至特定位置，撤去外磁場，磁控小馬達自驅(qū)動運動前進至目標位置，將待測物質(zhì)從環(huán)境溶液中分離出來，集中進行檢測；高分子材料也可為熱敏性材料，在較低溫度的環(huán)境溶液中吸入藥物后，用一接觸磁控小馬達液體金屬部位，觸發(fā)磁控小馬達運動；在外磁場作用下將磁控小馬達牽引至特定位置，撤去外磁場，磁控小馬達自驅(qū)動運動前進至溫度稍高的目標位置，藥物在高溫刺激下釋放，進而達到藥物控釋目的。
[0016]所述能夠在磁控馬達的鎳層表面進行電聚合形成電化學(xué)傳感的材料為基于苯硼酸及其衍生物在液態(tài)金屬表面的鎳表層電聚合形成糖化學(xué)傳感器，利用苯硼酸與糖分子可逆結(jié)合形成共價鍵，從而識別檢測糖類分子以及細胞壁上含糖分子的細胞，如酵母細胞，然后通過液態(tài)金屬的運動進行分離所檢測的物質(zhì)。或為聚合聚異丙基丙烯酰胺用于藥物控釋的高分子熱敏性材料。
[0017]上述所述的基于液態(tài)金屬的磁控馬達用于分離檢測樣品，在所述磁控小馬達的表面鎳層上噴濺一層金薄層后再修飾不同功能基團，功能基團與樣品溶液中的待測物質(zhì)結(jié)合后，用一小片鋁接觸磁控小馬達液體金屬部位，觸發(fā)馬達運動；在外磁場作用下將磁控小馬達牽引至特定位置，撤去外磁場，磁控小馬達自驅(qū)動運動前進至目標位置，將待測物質(zhì)從樣品溶液中分離出來，集中進行檢測；所述功能基團為在磁控小馬達上的金薄層上采用常用的表面活性劑、氨基或巰基化合物，或者是修飾了氨基或巰基的DNA探針物質(zhì)進行表面修飾形成的功能化基團，通過磁控小馬達的運動進行分離檢測蛋白、細胞、抗體、抗原和核酸生物活性物質(zhì)。這些基團可以在金表面形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，并與相應(yīng)的酶、抗體蛋白、腫瘤細胞、核酸等物質(zhì)特異性結(jié)合，將所結(jié)合的物質(zhì)通過自驅(qū)動運動運送到特定位置進行分離檢測。
[0018]上述所述的基于液態(tài)金屬的磁控馬達用于檢測分析，將所述磁控小馬達磁化后用于吸附功能化磁性顆粒用于檢測分析；所述功能化磁性顆粒采用外包覆一層高分子材料如聚氯乙烯、聚苯胺、聚苯乙烯、或聚乙烯亞胺的磁性微球(如Fe3O4或γ-Fe 203)，或表面聚合一層可電化學(xué)傳感或藥物控釋的高分子薄膜的磁性微球，或噴射金薄層后修飾不同功能基團的磁性微球；這些磁性微