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瞿金平院士華科大團(tuán)隊(duì)牛冉研究員《Small》：基于離子交換的可重構(gòu)、磁控雙功能集群
2024-01-26  來(lái)源：高分子科技

  在自然界中，許多生物能夠通過(guò)局部交流自組織成群體，完成個(gè)體無(wú)法完成的復(fù)雜任務(wù)，如鳥(niǎo)群、魚(yú)群和螞蟻群。受自然界這種驚人的集體行為啟發(fā)，人們開(kāi)發(fā)了具有群體智能的合成微機(jī)器人集群，用于執(zhí)行定向運(yùn)動(dòng)、避障、藥物運(yùn)輸和環(huán)境修復(fù)。在交流電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和光場(chǎng)或化學(xué)反應(yīng)等外部刺激的驅(qū)動(dòng)下，微機(jī)器人可以通過(guò)物理或化學(xué)作用組織成一個(gè)失衡的微群。然而，在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中以高靈活性和分層可控性調(diào)節(jié)微群以完成任務(wù)仍具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閰f(xié)調(diào)不同功能組件的策略以及微群與環(huán)境之間的相互作用仍在研究之中。尤其是利用長(zhǎng)程相互作用來(lái)調(diào)整微群內(nèi)部/之間的相互作用的方法還很少見(jiàn)。


  近日，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院瞿金平院士/牛冉研究員團(tuán)隊(duì)在《Small》雜志在線發(fā)表了題為“Ion-Exchange Enabled Dual-Functional Swarms with Reconfigurability and Magnetic Controllability”的研究文章。他們報(bào)道了一種利用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂球和磁性微球之間的離子交換反應(yīng)誘導(dǎo)的分層微群（IEX/MP3）。該微群在磁場(chǎng)作用下可重構(gòu)，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)可控甚至等級(jí)可逆轉(zhuǎn)的有序結(jié)構(gòu)，能夠在封閉和復(fù)雜的環(huán)境中航行。同時(shí)，微群之間還能進(jìn)行有趣的交流，如合并、分裂和成員交換，形成多領(lǐng)導(dǎo)群體、活性晶體和復(fù)雜漩渦。此外，微群還能實(shí)現(xiàn)雙功能微反應(yīng)器的功能，它能以 pH增強(qiáng)的方式裝載、運(yùn)輸和釋放藥物，還能在受污染的水中通過(guò)光增強(qiáng)的類Fenton反應(yīng)有效降解抗生素。微群的有組織結(jié)構(gòu)大大提高了藥物裝載/運(yùn)輸效率和催化劑的局部濃度，從而快速去除污染物。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)用于智能藥物輸送和先進(jìn)環(huán)境修復(fù)的雙功能微納米機(jī)器人奠定了基礎(chǔ)。

 

圖1. IEX和MP3之間的離子交換過(guò)程和自組裝運(yùn)動(dòng)

 

圖2. 由 xy 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制IEX/MP3微群在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)

 

圖3. 由 xz旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制IEX/MP3微群在表面滾動(dòng)和在復(fù)雜環(huán)境中導(dǎo)航

 

圖4. 多個(gè)IEX/MP3微群之間的交流

 

圖5. IEX/MP3微群的藥物裝載、pH控制藥物釋放以及對(duì)癌細(xì)胞（Hela）的殺滅效果

 

圖6. IEX/MP3微群光催化降解四環(huán)素（TC）


  論文第一作者為華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生陳玲，論文通訊作者為華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院牛冉研究員，論文作者還包括華中科技大學(xué)瞿金平院士，龔江教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。


  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202308318


作者簡(jiǎn)介：



牛冉，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年項(xiàng)目首席科學(xué)家，主要研究領(lǐng)域?yàn)?/span>能量轉(zhuǎn)化功能高分子材料及微納米機(jī)器人。目前以第一或通訊作者身份在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Adv. Sci., Small、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等具有重要影響力的國(guó)際刊物上發(fā)表SCI論文60余篇，獲授權(quán)專利5項(xiàng)，申請(qǐng)專利7項(xiàng)。主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題等國(guó)家和省部級(jí)科技項(xiàng)目多項(xiàng)，并獲得湖北省海外高層次人才計(jì)劃、武漢英才等多項(xiàng)榮譽(yù)獎(jiǎng)勵(lì)。擔(dān)任Rare Metals期刊 (中科院1區(qū)，影響因子6.3)， Exploration和Energy Materials期刊青年編委。
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