在过去的十来年里,人工微纳机械是纳米科学技术研究领域的热点之一。人工微纳机械是一种微/纳米尺度的装置,这种装置能够将外部能量转化为机械能进而驱动其自主运动或其周围液体的流动。微纳机械之所以引起人们越来越多的研究兴趣,是由于其在生物医学、环境监测修复和传感等领域有着潜在的多样化应用价值。迄今为止,微纳机械的研究主要是利用无机材料(金属、碳、二氧化硅等),并且在构造过程中需利用模板以及蒸镀等微加工方法来得到微纳机械的结构。采用这些方法构造的微纳机械无法大批量生产,而且制备的微纳机械功能比较单一,不利于微纳机械在实际中的应用。另外,考虑到微纳机械在生物医学方面的应用,微纳机械的生物相容性和燃料的生物相容性也是亟待解决的问题。因此,本论文主要研究基于生物高分子聚己内酯(PCL)的多功能微纳马达,以及基于聚噻吩(P3HT)的,以水为燃料的全高分子微纳机械。具体工作主要包括以下五个部分:1、通过溶液结晶的方法,制备具有规则形状的可大规模生产的二维(2D)高分子薄片。与无机材料相比较,高分子材料具有易于末端官能化的特点。当利用末端官能化的高分子作为高分子薄片的原材料时,由于末端官能团与高分子的主链结构不同,因此在结晶的过程中末端官能团会暴露在高分子薄片的表面。通过引入不同的末端官能团(比如巯基、羟基等),利用官能团与纳米粒子之间的相互作用就可以将纳米粒子吸附到高分子薄片的表面,从而使得高分子薄片通过纳米粒子的修饰实现功能化。因此,以聚己内酯或聚乙烯醇和铂纳米粒子为构筑单元,实现了微纳马达的自组装构造,并利用对硝基苯酚的还原反应研究了其催化活性。2、利用自组装的方法,将聚己内酯薄片和多种纳米粒子集成到单个微纳马达体系上,实现了微纳马达的多功能集成。纳米颗粒因具有许多独特的性质而被人们所关注,比如具有表面等离子体共振(SPR)特性的银纳米粒子,具有超顺磁性的四氧化三铁纳米粒子等。因此将不同功能的纳米粒子引入到马达之中就可以实现不同的功能,这些功能包括自主运动、可控运动、酶诱导的微纳马达解组装、缓释和拉曼检测等。3、针对通过自组装方法构造的微纳马达运动速度慢的问题,我们提出了提升微纳马达运动速度的两种方法:a,通过改变微纳马达的表面亲疏水性质,我们可以实现马达运动速度的三倍提升;b,通过电场或铂纳米粒子和四氧化三铁纳米粒子之间的协同作用,可以实现铂纳米粒子催化活性的提升。通过改变纳米粒子的浸润性以及提高它们的催化活性,最高可以将马达的运动速度提升十倍,达到200μm/s。4、我们采用环境友好的高分子材料(聚己内酯和过氧化氢酶)构造出了全高分子微纳马达。通过将聚己内酯薄片作为微纳马达的“船体”,过氧化氢酶作为“引擎”,再通过引入荧光素探针分子,我们成功的构造了基于微纳马达的用于检测氨气和氯化氢气体分子的传感器。与静止状态下的器件相比较,运动的微纳马达对气体的检测具有更短的响应时间以及更低的检测限。基于全高分子的微纳马达体系优点在于其能够在溶液中降解,不会造成环境污染。5、为了解决微纳机械的燃料及环境/生物相容性问题,我们设计合成了一种基于聚己基噻吩(P3HT)材料的、以水为燃料的、不包含金属的微纳机械。在传统的微纳机械理论中,微纳马达和微纳泵通常被认为是不能同时存在的两种不同类型的微米机械。和传统的微米马达或微米泵不同的是,基于聚己基噻吩的微纳机械在光照下能够同时具有微米马达和微米泵的功能。这一结果不仅缩小了微米马达和微米泵的差距,还激发了人们设计具有新颖运动行为方式的微米机械的兴趣。