微納米馬達作為前沿的納米技術之一，能夠在微觀尺度上将各種外部能量轉化為動能實作自主可控運動，在藥物遞送、組織修複、微機械操作等領域展示了廣泛的應用前景。因為光與物質互相作用的實體學非常豐富, 為納米機器人的設計提供了足夠的設計自由度。目前的光控納米馬達主要依賴于光趨性機制，并且不适用于高度散射的媒體（如生物組織）。此外，對于大多數納米機器人系統而言，一個重要的挑戰是如何配置多個微納米電機，使它們對同一全局輸入信号做出不同的響應，以建立具有更高自由度的可程式設計的微觀機器人。
針對以上的挑戰，香港大學唐晉堯教授（點選檢視介紹）團隊首次提出相位調控的微納米馬達技術，巧妙的結合電信号與光脈沖，利用半導體微納米粒子在瞬态下的雙極光電化學反應，在時域内實作化學反應位點的選擇性，進而實作在運動方向上的精準操控（圖1）。文中還對微納米馬達在運動界面的電動力學機制展開了理論推導，将電路設計思想引入納米馬達設計中，為微納米馬達的多自由度操控、納米機器人的設計內建提供了堅實的理論基礎。
圖1. 相位調控的矽納米線馬達在一維尺度上的精準操控。（a）相位調控微納米馬達的設計思路；（b）裝置圖；（c）矽納米線馬達在脈沖光相位的調控下往返運動的軌迹圖；（d）可程式設計的矽納米線馬達在往返運動中速度/路徑-時間的關系。
該文章還首次對半導體納米馬達表界面化學反應過程的時間弛豫現象進行研究，并提出用相位延遲的頻域掃描方法進行測量。将微納米顆粒固有電阻（R）和表面電容（C），模組化為一個簡易RC電路（圖2），實作了對納米馬達電路的時間常數（τRC）的調控。通過測量微納米馬達在不同頻率下的相位偏移φ，可以拟合出微納米馬達的特征時間常數τRC。原理上，通過調整微納米馬達的R和C，可以在時域上定制并預測微納米馬達的頻率響應，并進一步設計出更複雜的微納米機械來進行更複雜的操作。
圖2. 微納米馬達在相位-頻率的響應關系以及對RC電路設計的驗證明驗。（a）在時域内工作的等效RC電路；（b）納米馬達-電解液界面的等效電路模型；（c）在50 kHz和75 kHz運動測試下的相位偏移和幅度衰減；（d）具有不同内徑尺寸的同心孔齒輪狀的矽納米片；（e）矽納米片的時間常數與同心孔半徑的關系。
于是，作者們設計了兩種在電阻和電容有顯著差異的矽納米片，并繪制出其随着相位變化的運動曲線。當相位适當地設定在兩個相位偏移差之間時，這種相位響應上的差異導緻矽納米片在相反的方向上運動，證明了該方式下獨立控制微納米馬達的能力。基于類似的設計原理，作者進一步開發了具有多個定位孔的矽納米片，其中不同區域之間的不同相位響應導緻顆粒的偶極矩和旋轉力矩的變化。在這種情況下，矽納米片可以被視為水準連接配接的多個單獨的微納米馬達，進而在激發時産生不平衡的推進力。在相位調制下，矽納米片的平衡方向相應地發生偏移，進而産生旋轉運動，類似于步進電機（圖3）。
原則上，複雜的電路設計被內建在一起，可以設計和制備更複雜的微觀機器人，以實作精确和高度通用的運動控制。這項工作開發了微納米顆粒的幾何設計在時域和頻域的調制潛力，為獨立和無線束縛的納米馬達控制的操作方式提供了新的見解，并為其在各個領域的應用奠定了堅實的基礎。
圖3. 通過RC電路概念設計的矽納米片的微納米馬達，在相位調控下實作的獨立運動與偏轉/旋轉行為。
這一成果近期發表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是香港大學化學系的博士研究所學生曹英男和黃亞鑫。唐晉堯教授為該論文通訊作者。
Bipolar Photoelectrochemistry for Phase-Modulated Optoelectronic Hybrid Nanomotor
Yingnan Cao, Yaxin Huang, Jing Zheng, Jingyuan Chen, Binglin Zeng, Xiang Cheng, Changjin Wu, Jizhuang Wang, and Jinyao Tang*
J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c03810
唐晉堯，香港大學化學系副教授
唐晉堯教授2003年大學畢業于中國科技大學，2008年在美國哥倫比亞大學獲得博士學位。在美國加州大學伯克利分校從事博士後研究後，于2012年加入香港大學化學系，現任教授。唐晉堯教授課題組主要從事活性軟物質體系研究，包括微納米機器人，光化學驅動和物質表面電動力學，活性材料自組織等研究，相關成果發表在Science, Nature, Nature Nano., Adv. Mater., Nano Lett., Angew. Chem. Ed. Int, J. Am. Chem. Soc.等國際一流期刊上，并獲得香港傑出青年學者獎、研資局研究學者獎，裘槎優秀科研者獎、中銀香港科技創新獎等獎項。
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https://www.x-mol.com/university/faculty/84373