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浙大刘平伟Nature Materials封面文章|自动穿孔纳米加工技术有望实现细胞状微型机器人的大批量制造

发布者:韩园园发布时间:2018-10-30浏览次数:203

细胞大小的智能机器人具有很大的应用潜力,如将其分散、流动到传统电子器件难以进入的封闭环境中,如石油、天然气管道或人体的胃肠道以及血管中等,去采集、记录和发送相应环境的信息,可实现“Internet of Things”。如何批量制造这种自驱动的微型机器人?将纳米电子元件或电子电路可控地植入到细胞尺寸大小的胶体颗粒为解决这一问题提供新的思路(图1)。石墨烯等二维材料及相应的二维纳米电子器件由于它们优异的力学、光学、电学及化学性质和功能等,广受关注。但目前批量的将这些二维材料与器件可控的复合到胶体微粒,制备得到相应的微粒电子器件和机器人极具挑战,主要原因包括(1)传统自上而下的光刻技术不适用于胶体体系的规模加工和生产;(2)原子厚度的石墨烯等二维材料薄而脆,其断裂行为难以控制。

图1. 通过二维纳米电子器件及其它纳米材料与胶体颗粒可控集成制备的微型机器人卡通图

 

针对该挑战,浙江大学化工学院刘平伟研究员和麻省理工学院的Michael S. Strano课题组合作开发了一种全新的微纳加工技术—自动穿孔(autoperforation)纳米加工技术(图2,Nature Materials 17, 1005, 2018)。该技术是一种基于二维材料可控断裂的加工手段,通过喷墨打印在二维材料(如通过化学气相沉积制得的石墨烯、二硫化钼或六方硼氮化物等)表面构建由聚合物或聚合物纳米复合物的颗粒阵列,接着将另一种二维材料覆盖在该阵列表面,形成夹层结构。该颗粒阵列可诱导二维材料包裹层产生局部的环形应力场,该环向应力可引导和控制二维材料的裂纹的可控扩展,实现沿着打印颗粒的边沿进行的可控断裂,该过程即为“自动穿孔”。利用这种方法,可以定制得到壳层是连续二维材料,内核为打印材料的特殊微粒。在加工方法可以精确的控制粒子壳层的二维材料种类、表面官能团、内核组成、颗粒形状和大小等多个方面。此外,自动打孔技术的操作条件简单,不需要使用成本高昂、操作复杂的无尘室。

   图2. 二维材料如石墨烯的可控断裂及自动穿孔技术:石墨烯等二维材料是一种超薄、“松软”和强度很高的材料,实际上它很脆。自动穿孔技术就是利用它的脆性,控制断裂过程,施加一个应变场引导产生形状和大小一致的碎片。当顶层的石墨烯覆盖在圆柱形状的聚合物颗粒阵列上时,石墨烯覆盖在圆柱边缘上的地方就会在材料中形成环向应力场。在打印的聚合物粒子上覆盖石墨烯或其他二维材料,就像一块桌布慢慢地落在一张圆形桌子上,桌子边缘会发展产生环形应变场,引导二维材料裂纹的扩展。

   通过自穿孔纳米加工技术可以制得尺寸从约10微米到100微米左右的微粒,他们类似于人体红细胞,在显微镜下,具有像活的生物细胞类似的独立、自由浮动行为,可通过磁场驱动。其独特的微观结构以及二维材料的引入,赋予了这些“微粒特殊的电子功能和化学传感功能,他们可以采集和记录环境周围的信息,包括记录探针台写入的电子信息,以及土壤和水体中的化学物质信息,如金属污染纳米粒子或离子。因此,这些微粒机器人有望能广泛地应用于生物医药研究领域,也可以将其注入石油或天然气管道,获取所需的环境数据。利用自动打孔技术这种新的微纳加工技术,研究人员可将原子般薄的表面裁剪成所需的形状,并包裹不同的微纳材料,以便应用到不同的学科和领域。总之,自动打孔技术也提供了一种全新的在微粒尺度内集成不同微纳电子器件的方法,有望用来大批量生产具有更复杂功能的微型自驱动的胶体机器人(图1)。例如,其可收集或储存能量,具有逻辑计算功能,传感检测,信息存储和时间记忆等功能等,从而实现对生命细胞的仿生,所以也可称为合成细胞 (Synthetic Cells) 或者胶体机器 (Colloidal State Machines)(Nature Nanotechnology, 2018, 13, 819–827 )。

该工作得到了浙江大学“百人计划”启动基金等项目的支持,相关论文以“Autoperforation of 2D materials for generating two-terminal memristive Janus particles”为题发表在材料领域权威期刊Nature Materials上发表,并被选为11月封面文章,论文链接为https://www.nature.com/articles/s41563-018-0197-z。新加坡南洋理工大学Qiyuan He和Hua Zhang教授在同期的Nature Materials 上专门撰写了点评文章,认为该研究提供了一种全新的微纳制造技术,为二维材料和微纳米颗粒的可控复合及表面功能性集成提供了新的思路。论文第一单位为浙江大学,第一作者为刘平伟研究员,美国麻省理工学院Michael Strano教授是该论文的通讯作者。

 


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