小马达大能量：光驱动微纳马达的前沿研究

原文发表于《科技导报》2025 年第20 期 《 光驱动微纳马达的机理及应用 》

近年来，光驱动微纳马达作为一种新兴的微型动力装置，因其能量输入可调、开关状态可逆且可远程操控等优势，在水环境处理、生物医疗以及生物传感等领域展现出广阔的应用前景。本文梳理了光驱动微纳马达的研究进展，重点分析了驱动机理、独特优势及典型应用，指出面临的主要问题，对于未来研究提出具体建议。

微纳马达是一种介于微纳米尺度、能够将外部环境能量转化为自身动能并执行特定功能的微型装置，在生物医疗、生物传感和水环境监测修复等领域展现出巨大的应用潜力，已成为纳米科技和生物医学的前沿热点。我们的研究从光驱动微纳马达的驱动机理着手，探讨了其在材料科学、光能利用及驱动控制等方面的进展，并展望了光控驱动微纳马达的发展方向。

1 光驱动微纳马达运动机理

光驱动微纳马达的运动机理主要涉及3种效应：光热效应、光致异构化和光催化分解。

1.1 光热效应

利用光热效应的光驱动微纳马达是马达将吸收的光能转化为热能，导致马达表面产生温度梯度或周围介质物性变化而产生运动的一类马达。如图1（a）所示，Lin等将金纳米粒子不对称分布于纳米颗粒表面制备了纳米马达；Liu等设计了一种呈不对称火柴棍状结构的纳米马达，巧妙替代了传统的金纳米粒子，如图1（b）所示；Hu等将光热Fe3O4纳米粒子沉积于聚合物颗粒表面制备了微米马达，如图1（c）所示。

图1（a）纳米马达表面金吸收热量产生温度梯度；（b）TiO2−SiO2−介孔碳纳米马达吸收热量发生自热泳；（c）光致热对流驱动微米马达集群运动

1.2 光致异构化

光致异构化是指分子在光照条件下，分子内部的化学键重新排列，导致结构发生弯曲、伸展或收缩等现象。典型的光异构分子是偶氮苯和螺吡喃等衍生物，能够在紫外光和可见光交替照射下发生可逆的反−顺−反构型转换，如图2（a）所示。Abid等制备了表面接枝偶氮苯的聚合物纳米马达，如图2（b）所示，实现了马达在水溶液中的定向运动。Xiong等报道了一种一锅式组装偶氮苯聚合物纳米马达的方法，如图2（c）所示，所获得的马达不仅能够利用光异构化引起的颗粒变形促进其在溶液中的自推进，同时可利用紫外光照射的光热转化，为纳米马达提供动能。

图2（a）偶氮苯分子在紫外光/可见光交替照射下发生顺反构型转换；（b）表面涂覆偶氮苯的纳米马达发生光致异构化运动；（c）偶氮苯光异构化引起的颗粒变形和光热转化共同推进马达运动

然而该类马达一般通过表面修饰，使得马达表面光敏物质含量较低，所以运动性能并不是十分出色，无法进行长时间持续的运动。其也存在光致疲劳现象，可能限制其在应用中的有效性和稳定性。

1.3 光催化分解

光催化分解是指光催化剂吸收光能后，电子从价带跃迁到导带，形成电子−空穴对，电子和空穴分别参与还原和氧化反应，生成新的产物（电解质或非电解质），从而改变局部物质浓度梯度。Maric等基于不同金属（Pt、Cu、Fe和Au）分别与TiO2构成微米马达，如图3（a）所示，金属与TiO2的电势差越大，马达的运动速度越大。He等基于氧化锌和铂制备了一种紫外光驱动的ZnO/Pt微米马达，如图3（b）所 示 ，它能够在光的激发下促使微马达启动，并维持一种持续且定向的移动模式。如图3（c）所示，Urso等所设计的Ag−TiO2微米马达，无论是否有紫外光存在，通过自扩散实现高速自主运动。如图3（d）所示，张静等基于Pt和SiO2制备了一种中空微米马达，O2气体分子聚集成核形成气泡从而推动马达运动，而气泡溃灭产生的微射流显著增加了马达的运动速度。

图3（a）金属−TiO2马达在紫外光作用下发生自电泳；（b）具有强偶极矩的ZnO/Pt微米马达沿光照方向持续运动；（c）MXene衍生的Ag−TiO2马达发生自扩散泳；（d）气泡驱动微米马达运动机理

2 光驱动微纳马达的分类及典型应用

根据光源特性，光驱动微纳马达主要可分为紫外光驱动、可见光驱动和近红外光驱动3类。

2.1 紫外光驱动微纳马达典型应用

紫外光驱动微纳马达比较适用于水环境治理和目标货物输送领域。

2.1.1 水环境治理

紫外光驱动微纳马达在水环境领域的应用包括水质监测和水质修复，如Debata等设计了一种具有独特光学响应特性的微马达，这种马达在紫外光下能够可控运动，如图4（a）所示。2022年，Li等制备了一种能被紫外光激发并可通过磁场控制方向的Fe3O4@TiO2/Pt微米马达，如图4（b）所示，可实现30 min内定向光催化降解92.25%的甲基蓝污染物。2023年，Huang等基于金属−有机框架制备了PPy/ZIF−8微米马达。如图4（c）所示，他们将这些光驱动马达应用于废水中金黄色葡萄球菌的去除。2024年，Fang等成功设计并制备了一种类似多肉植物的ZnO/MOF/Fe3O4杂化微马达，如图4（d）所示，实现了在紫外光照射下四环素的高效动态荧光检测与光催化降解。

图4（a）微马达的荧光信号通过响应pH值发生变化；（b）Fe3O4@TiO2 /Pt微米马达展示出优异的甲基蓝降解性能； （c）PPy/ZIF−8微米马达去除废水中金黄色葡萄球菌机理；（d）ZnO/MOF/Fe3O4杂化微马达对四环素的荧光检测与光催化降解机理

2.1.2 目标货物输送

紫外光驱动微纳马达成为精准、可控和灵活的货物运输的理想工具。2021年，Jiang等开发了一种由TiO2和多壁碳纳米管组成的刺猬形微米马达，依靠自电泳实现了快速的定向移动和聚集。此外，如图5（a）所示，通过调控紫外光的方向，实现货物的精准投递，这为开发新型的微米级运输及递送系统提供了新的指引。为了提高马达的载货能力，Zhang等设计了基于光趋性的TiO2微米马达，如图5（b）所示，可共同协作运输多个不同类型的大尺寸货物从而实现货物的精准递送。

图5（a）Hs−TiO2微米马达实现货物的精准捕捉、输送和释放；（b）左图为TiO2−MF微米马达群输送单个氨基聚苯乙烯微球，右图为TiO2−MF微米马达群输送多个全氟辛烷液滴

2.2 可见光驱动微纳马达典型应用

2.2.1 水环境修复

近年来，研究者们通过创新设计和优化材料，显著提升了可见光驱动微纳马达在水环境修复中的应用潜力。如2021年Ying等设计了一种可六自由度运动的TiO2/Fe3O4/CdS微马达，如图6（a）所示，使其降解水中苦味酸（高能炸药）的性能明显提升。为进一步提高马达的运动速度和污染物降解能力，2022年，Song等制备了一种基于碳微球和石墨相氮化碳的可见光驱动微马达，如图6（b）所示。针对复杂难降解的有机污染物，Feng等从提升光催化性能的角度出发，开发了一种具有三维多孔结构的双模式驱动Fe3O4/f−C3N4微马达，如图6（c）所示，实现了抗生素高效去除。

图6（a）不同马达对苦味酸的降解性能对比；（b）g−C3N4@CMS微马达的运动和催化降解RhB机理；（c）左图为双模式驱动Fe3O4 /f−C3N4马达在可见光和磁场作用下聚集，通过增加局部催化剂浓度增强催化活性， 右图为Fe3O4 /f−C3N4马达光降解抗生素机理

2.2.2 生物医学应用

可见光驱动微纳马达应用于生物医学领域时，利用光催化将燃料的化学能转化为马达的机械能，以提高马达运动能力。如图7（a）所示，Wang等制备了一种以葡萄糖为燃料的Cu2O@N−CNT微马达。2021年，Pacheco等利用可降解聚合物聚己内酯（PCL）和聚乳酸−羟基乙酸（PLGA），制备了一种由CdSe@ZnS量子点作为光活性材料，并负载不对称Fe3O4纳米颗粒的微马达，如图7（b）所示，不仅能够有效避免生物污染，而且提高了微马达的运动速度。

图7（a）以葡萄糖为燃料的Cu2O@N−CNT马达在可见光下的运动机理；（b）负载功能涂层的微米马达在血液中运动并进行毒素清除

2.2.3 目标货物运输

可见光在目标货物输送方面同样展示出良好的应用前景，如Martinez等探究了利用外部旋转磁场驱动的微马达在运输微观货物方面的特性。他们发现，该马达在蓝光作用下，可实现货物在任意位置的拾取、运输和释放，如图8（a）所示。Villa等制备了单组分BiVO4微米马达，如图8（b）所示，这些马达在光激活下表现出寻找和黏附酵母细胞壁的能力，并可通过控制光源开关来控制其附着和释放。

图8（a）蓝光开/关下微米马达运动及可逆地结合胶体货物的示意；（b）BiVO4马达在可见光照射下捕获、运输酵母细胞并使其失活

2.3 近红外光驱动微纳马达典型应用

近红外光因其在材料中良好的吸收特性和高效的光热转换能力，成为驱动微纳马达的理想光源。近红外光的生物组织穿透性强、光毒性低、具有高度生物相容性和安全性，因此近红外光驱动微纳马达特别适合于生物医学领域。

2.3.1 生物医学检测

通过在微纳马达表面附着荧光物质，并利用近红外光的激发，可以促使这些马达发射出可见光谱内的荧光或更高频率的光辐射，这一特性使微纳马达成为生物标记与细胞成像领域的重要工具。2020年，Xu等开发了一种近红外光驱动的荧光纳米马达，用于检测人体血液中的肿瘤细胞（CTCs）。如图9（a）所示，为复杂血液环境中检测肿瘤细胞提供了新途径。2021年，Zheng等开发了一种近红外光驱动的Janus多孔硅纳米马达，用于增强体内肿瘤组织的磁共振成像（MRI），如图9（b）所示。2022年，Zhao等提出了一种掺杂镧系元素的上转换荧光微马达。如图9（c）所示，这种将温度传感和药物递送集成到一个微马达的设计为精准医疗提供了一种创新工具。

图9（a）NIR驱动荧光纳米马达的制备及检测肿瘤细胞机理；（b）Janus多孔硅纳米马达的制备及增强MRI成像机理；（c）近红外光诱导的局部流体流动驱使马达将药物递送到癌细胞

2.3.2 光热治疗

光热疗法是利用具有优异光热转换性能的材料，将其注入机体内部并使其聚集在肿瘤组织附近，将外部光源的能量转化为热能来杀死癌细胞的一种方法。2020年，Zhou等开发了一种近红外光驱动的仿生纳米马达。如图10（a）所示，确保马达将药物精准运送到癌细胞，展现了在癌症治疗中的巨大潜力。在光热治疗的基础上，实现联合治疗是一种更为有效的方式。Guo等联合光热和免疫疗法，制备了壳聚糖包覆的空心铜硫化物纳米马达，并在其表面组装免疫佐剂。如图10（b）所示，该方法比单独的免疫疗法或光热疗法更为有效。2022年，Liu等合成了一种近红外光驱动的核桃状聚多巴胺（PDA）纳米马达。如图10（c）所示，所制备的PDA纳米马达具有良好的生物相容性和光热效应。

图10（a）自热泳纳米马达将药物精准运送到癌细胞示意；（b）壳聚糖包覆的空心铜硫化物纳米马达通过光热和免疫疗法治疗肿瘤细胞；（c） 核桃状纳米马达对近红外光的响应机理及作用于肿瘤部位的时间变化图像

2.4 光驱动微纳马达的应用分析

不同光驱动的微纳马达因其特有的光源和材料响应性，在不同领域既展现了独特的应用潜力，同时在若干交汇领域亦能各展所长。在实际应用中，应根据具体需求选择最合适的驱动方式或探索多光谱响应材料，以结合不同光源的优势。

可见光和近红外光驱动微纳马达在生物医学应用方面各有优势但又存在一定的差异。可见光驱动微纳马达具有较好的生物相容性和马达运动速度，但受限于可见光的穿透深度和能量密度，一般适用于浅表组织或体外应用。而近红外光驱动微纳马达具有深层组织穿透能力和低生物组织吸收特性，适用于体内深层组织的肿瘤细胞捕获、成像和治疗等应用，但近红外光源相对昂贵，可能增加治疗成本。

3 光驱动微纳马达的局限性及未来发展趋势

3.1 光驱动微纳马达的局限性

3.1.1 能量转换效率低

光驱动微纳马达的运动依赖于光能到机械能的转换。然而，可见光和红外光的能量密度相对较低，能量损失是不可避免的。

3.1.2 光源强度问题

当近红外光源强度不足时，微纳马达无法获取足够的能量，导致运动速度和效率降低，而过强的光源会引发显著的光热效应，局部温升可能对正常生物组织造成热损伤，影响其正常功能。

3.1.3 环境介质影响

光驱动微纳马达的性能在不同环境介质中会受到黏度、化学成分和离子强度的显著影响。这些不利条件严重制约它们在复杂生物流体以及高黏度介质中的实际应用。

3.1.4 材料选择问题

一些高效的光敏材料因具有生物毒性，限制了它们在生物医学领域的应用。此外，某些材料在特定环境条件下不够稳定，可能会降解并导致性能衰减。

3.2 光驱动微纳马达未来发展趋势

（1）提高能量转换效率。开发新材料和结构，尤其是要克服微纳尺度上的能量转换难题，提升在低光强环境下的马达运动性能。

（2）增强环境适应性。确保在复杂生物流体中也能保持稳定的性能。

（3）提高生物相容性。开发新型的光敏材料，以确保微纳马达在生物医学应用中的安全性和长期稳定性。

（4）多源驱动方式的融合。结合不同驱动机制，以满足复杂环境和多样化应用的需求。

（5）集成多功能性。未来成为一个真正的智能纳米机器人，以满足复杂任务的需求。

本文作者：陈刚、刘云龙、张冰洋

作者简介：陈刚，郑州轻工业大学能源与动力工程学院、河南省能源高效转化与利用国际联合实验室，讲师，研究方向为微纳马达的驱动机理及其应用。

文章来 源 ： 陈刚, 刘云龙, 张冰洋. 光驱动微纳马达的机理及应用[J]. 科技导报, 2025, 43(20): 25−36 .

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