多孔金微米棒的制备及其在化学和超声场下的运动研究

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人造微纳米马达是一种介于微米与纳米尺度之间的智能仿生材料,它们能够将外界提供的化学能、光能、声能以及热能等不同形式的能量转换为动能,从而实现一系列复杂的功能。近几年,微纳米马达运用于药物传输方面的发展十分迅速,但是由于传统马达表面积有限,它们仅能负载少量药物进行工作。为了增大马达的表面积,可以考虑将多孔结构与纳米马达结合起来制备多孔纳米马达,这种马达具有表面积大和孔径可调的特点,能够更高效的完成药物的负载和释放。目前科研人员对于多孔微纳米马达的研究多集中于马达的制备和如何运输物质方面,而其最基本的运动规律却被忽略。为了更好得实现多孔纳米马达的应用,我们有必要对其基本运动规律进行研究。在本论文中,采用阳极氧化铝模板(AAO)辅助电化学沉积方法合成金银合金(AuAg合金)微米棒,然后用硝酸腐蚀银组份得到多孔金微米棒。此外,为对比研究,用相同的电化学方法制备多孔金薄膜,并研究在不同制备参数下薄膜的孔径和孔隙率。在制备多孔金之前,首先对金银合金电镀液进行循环伏安扫描探究金与银的沉积电压范围。然后在该电压范围内制备多孔金薄膜和多孔金微米棒。实验分析发现在-0.7 V-0.9 V的电压范围能制备得到孔隙率与孔径逐渐减小的具有良好三维多孔形貌的多孔金微米棒。基于所制备的多孔金微米棒,本论文深入研究了其在超声波和化学场驱动下的运动规律和机制。首先,在探究多孔结构对微米棒在双氧水中运动的影响时,将各部分长度相同而多孔部分孔径不同的多孔金-铑(Au多孔-Rh)棒与相同长度金-铑(Au-Rh)棒进行对比。结果表明,只有孔径较大的Au多孔-Rh棒运动较相同长度和比例的Au-Rh棒快约12%。基于双金属棒在双氧水中运动的自电泳和自扩散泳两种机理分析,Au多孔-Rh应该比Au-Rh在双氧水中运动更快。而实际上对于孔径较小的Au多孔-Rh棒,其在催化双氧水过程中放热,可能使多孔金孔壁粗化,并堵塞其多孔结构,使其近似于实心金。同时其不平整的表面造成气泡在表面聚集,减小了多孔金棒与双氧水的接触面积,从而降低了马达实际运动速度。在探究多孔结构对微米棒在超声场下运动的影响时,将总长一致的多孔金棒与实心金棒进行对比,发现多孔结构的存在会减慢金属棒在超声下的运动,且多孔结构孔隙率与孔径越大,这种减速作用越大。如-0.7 V电压下制备的孔隙率和孔径较大的1μm Au多孔棒相比1μm Au棒速度减慢约71%。产生这种现象的原因,我们推测是多孔结构在超声场下的吸声作用使声能衰减,而孔隙率与孔径越大的多孔结构吸声效果越强。本文通过制备多孔金微米棒,并探究其运动规律,揭示了多孔结构的存在以及孔隙率与孔径大小的不同对微米棒分别在化学场和超声场下运动的影响,为多孔纳米马达在药物传输领域的应用打下了较好的基础。
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