微纳米马达作为前沿的纳米技术之一，能够在微观尺度上将各种外部能量转化为动能实现自主可控运动，在药物递送、组织修复、微机械操作等领域展示了广泛的应用前景。因为光与物质相互作用的物理学非常丰富, 为纳米机器人的设计提供了足够的设计自由度。当前的光控纳米马达主要依赖于光趋性机制，并且不适用于高度散射的介质（如生物组织）。此外，对于大多数纳米机器人系统而言，一个重要的挑战是如何配置多个微纳米电机，使它们对同一全局输入信号做出不同的响应，以创建具有更高自由度的可编程的微观机器人。
针对以上的挑战，香港大学唐晋尧教授（点击查看介绍）团队首次提出相位调控的微纳米马达技术，巧妙的结合电信号与光脉冲，利用半导体微纳米粒子在瞬态下的双极光电化学反应，在时域内实现化学反应位点的选择性，从而实现在运动方向上的精准操控（图1）。文中还对微纳米马达在运动界面的电动力学机制展开了理论推导，将电路设计思想引入纳米马达设计中，为微纳米马达的多自由度操控、纳米机器人的设计集成提供了坚实的理论基础。
图1. 相位调控的硅纳米线马达在一维尺度上的精准操控。（a）相位调控微纳米马达的设计思路；（b）装置图；（c）硅纳米线马达在脉冲光相位的调控下往返运动的轨迹图；（d）可编程的硅纳米线马达在往返运动中速度/路径-时间的关系。
该文章还首次对半导体纳米马达表界面化学反应过程的时间弛豫现象进行研究，并提出用相位延迟的频域扫描方法进行测量。将微纳米颗粒固有电阻（R）和表面电容（C），建模为一个简易RC电路（图2），实现了对纳米马达电路的时间常数（τRC）的调控。通过测量微纳米马达在不同频率下的相位偏移φ，可以拟合出微纳米马达的特征时间常数τRC。原理上，通过调整微纳米马达的R和C，可以在时域上定制并预测微纳米马达的频率响应，并进一步设计出更复杂的微纳米机械来进行更复杂的操作。
图2. 微纳米马达在相位-频率的响应关系以及对RC电路设计的验证实验。（a）在时域内工作的等效RC电路；（b）纳米马达-电解液界面的等效电路模型；（c）在50 kHz和75 kHz运动测试下的相位偏移和幅度衰减；（d）具有不同内径尺寸的同心孔齿轮状的硅纳米片；（e）硅纳米片的时间常数与同心孔半径的关系。
于是，作者们设计了两种在电阻和电容有显著差异的硅纳米片，并绘制出其随着相位变化的运动曲线。当相位适当地设置在两个相位偏移差之间时，这种相位响应上的差异导致硅纳米片在相反的方向上运动，证明了该方式下独立控制微纳米马达的能力。基于类似的设计原理，作者进一步开发了具有多个定位孔的硅纳米片，其中不同区域之间的不同相位响应导致颗粒的偶极矩和旋转力矩的变化。在这种情况下，硅纳米片可以被视为水平连接的多个单独的微纳米马达，从而在激发时产生不平衡的推进力。在相位调制下，硅纳米片的平衡方向相应地发生偏移，从而产生旋转运动，类似于步进电机（图3）。
原则上，复杂的电路设计被集成在一起，可以设计和制备更复杂的微观机器人，以实现精确和高度通用的运动控制。这项工作开发了微纳米颗粒的几何设计在时域和频域的调制潜力，为独立和无线束缚的纳米马达控制的操作方式提供了新的见解，并为其在各个领域的应用奠定了坚实的基础。
图3. 通过RC电路概念设计的硅纳米片的微纳米马达，在相位调控下实现的独立运动与偏转/旋转行为。
这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是香港大学化学系的博士研究生曹英男和黄亚鑫。唐晋尧教授为该论文通讯作者。
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
唐晋尧，香港大学化学系副教授
唐晋尧教授2003年本科毕业于中国科技大学，2008年在美国哥伦比亚大学获得博士学位。在美国加州大学伯克利分校从事博士后研究后，于2012年加入香港大学化学系，现任教授。唐晋尧教授课题组主要从事活性软物质体系研究，包括微纳米机器人，光化学驱动和物质表面电动力学，活性材料自组织等研究，相关成果发表在Science, Nature, Nature Nano., Adv. Mater., Nano Lett., Angew. Chem. Ed. Int, J. Am. Chem. Soc.等国际一流期刊上，并获得香港杰出青年学者奖、研资局研究学者奖，裘槎优秀科研者奖、中银香港科技创新奖等奖项。
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