上纽大教授参与的最新研究结果表明：倾斜（低头）运动是“逆流而上”的途径之一

2020-6-27 04:52:46

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上海纽约大学NYUShanghai

一组科学家的最新研究成果表明，想要让微观马达逆流而上，需要让马达的头部向下倾斜然后沿表面移动。这组科学家制造的“马达”可以和它周围的来流抗衡，从而“逆流而上”。

由铂和金制成的微米级马达，会自行发力沿着含过氧化氢水流（见通道侧壁上的大箭头）的相反方向运动。虽然流体分子的随机热振动通常会扰乱马达的运动轨迹，但以金属金为主的马达（拉动型马达）依然保持着相对较直的运行轨迹。这是因为这种马达的倾斜幅度大，容易被水流转动，从而实现“逆流而上”。

这组科学家在这项研究中制作不同金铂组份的“马达”，并通过探究发现，实现逆流而上的有效运动方式是先向下低头倾斜，然后沿表面进行移动。这项专注于流体中物体运动轨迹和性质的研究提供了一些新的思路，将对工程学产生一定影响。

“有了这些纳米马达，我们可以更好地理解肉眼很难看到的微观逆流运动的本质，同时也是我们从微观层面开发智能材料和机器人系统的第一步，”该篇论文合著者之一、上海纽约大学物理与数学教授、纽约大学全球特聘教授张骏说。该篇论文发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

“尽管人们对这种运动现象并不陌生，我们的这项研究对这些现象提供了最全面的解释，深化了我们对这种广泛动力学的理解。”论文作者之一、纽约大学柯朗数学科学研究所教授Michael Shelley说。

参与此次研究的研究人员还包括纽约大学柯朗数学科学研究所博士后研究员Quentin Brosseau，他也是该篇论文第一作者。此次研究重点关注先前已经发现的逆流性现象——即运动物体相应来流，改变运动方向，从而可以逆流而上。

但是，长时间以来，对逆流性现象的详细解释尚不明晰。为了全面理解逆流性过程，科学家们发明了由铂和金（Pt / Au）两种金属组成的纳米马达。Michael Shelley教授、张骏教授及其同事之前制作过一个更基础版本的纳米马达，其尺寸远小于人头发的宽度。

据刊登在《物理评论快报》的论文所述，这些马达由纽约大学化学系分子设计研究所制造，性能更加先进。为了让马达的运动方式更加多样化，研究人员改变了其中的金属比例。在某些模型中，金/铂成分各占一半，而在其他模型中，金/铂的比例则为3:1或1:3 。

当将纳米马达至于水中，并以过氧化氢稀释液作为化学燃料为其提供动力时，马达会始终在其铂金端的引领下进行游动。但是，这些马达各自“倾斜”的角度会因其成分比例的不同而各不相同。那些主要由金组成的马达被称为“拉动型”马达，而那些主要成分是铂的马达则被称为“推动型”。“推动型”马达在运动期间保持相对水平，而“拉动型”马达的尾端会向上翘起来（发生明显倾斜）。

在周边有来流时，二者运动情况的差异会十分显著。

由于“拉动型”马达的倾斜度较大，其尾部更容易受到来流的影响。来流作用在马达的尾部使其转动，这与风转动风向标的情景十分相似。这样，在来流的控制下，马达的前端会面对水流，然后整个马达继续向前移动，从而进行逆流运动。相反，“推动型”马达没有足够的倾斜，来流就无法影响它的尾端并使之转动而产生逆流运动，它也就不太可能对迎面而来的流场做出反应。

“该系统在模仿大自然中的微生物，例如大肠杆菌的运动，并提供了一种预测这些流体在人体中运动路径的方式，”Brosseau说， “这对我们理解很多污染过程，并设计有目标地输送药物的智能材料十分关键。”

该篇论文作者还包括纽约大学化学系教授Michael Ward，“Flatiron研究院（Flatiron Institute）”研究员Florencio Balboa Usabiaga，新泽西理工学院助理教授Enkeleida Lushi，纽约大学化学系博士生Yang Wu，以及纽约大学柯朗数学科学研究所副教授Leif Ristroph。

该项研究的开展得到了美国国家科学基金“材料研究科学和工程学中心”项目（DMR-1420073）的支持，以及美国国家科学基金的资助（DMS-1463962和DMS-1620331）。