力學(xué)所提出基于應(yīng)變梯度的微納米顆粒輸運(yùn)機(jī)理

　　微/納米顆粒的定向輸運(yùn)在微電子機(jī)械系統(tǒng)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。在微納米機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域，對(duì)不同類型的納米顆粒進(jìn)行精確操控一直是一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，需要有新的驅(qū)動(dòng)機(jī)理來(lái)促進(jìn)納米操控技術(shù)的進(jìn)步。在生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，受精卵在輸卵管中的輸運(yùn)是一個(gè)決定受孕成功率以及早期生命健康發(fā)育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其輸運(yùn)機(jī)理存在多種解釋，包括輸卵管內(nèi)側(cè)纖毛擺動(dòng)、輸卵管液流動(dòng)輸運(yùn)以及管壁節(jié)段波驅(qū)動(dòng)等，但至今未有定論。為了科學(xué)解釋受精卵的輸運(yùn)機(jī)理，需要深入研究微納米顆粒的輸運(yùn)問(wèn)題。

　　最近，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所仿生材料與固體的微尺度力學(xué)課題組采用模型實(shí)驗(yàn)、理論以及分子動(dòng)力學(xué)模擬方法系統(tǒng)研究了基底表面應(yīng)變梯度場(chǎng)對(duì)基底上的宏/微觀物體驅(qū)動(dòng)行為的影響，提出了一種新的基于應(yīng)變梯度的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，該機(jī)理在宏觀、微觀以及納米尺度下均成立。主要成果如下：

　　（1）宏觀模型實(shí)驗(yàn)（圖1）證實(shí)了乳膠泡在粘彈性基底的彈性應(yīng)變梯度場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下會(huì)發(fā)生定向滾動(dòng)。并且在理論上指出了滾動(dòng)的主要影響因素、給出了滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的封閉解（Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2014, 123, 49-52；J. Appl. Phys. 2014, 116, 164701）。

　　（2）分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)了納米顆粒在應(yīng)變梯度場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下也可以發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)力由基底應(yīng)變梯度場(chǎng)的大小決定（Scientific Reports, 2015, 5, 13675）。

　　該項(xiàng)研究提供了一種新的納米顆粒的輸運(yùn)控制機(jī)理，為相關(guān)技術(shù)手段的發(fā)明提供了科學(xué)思想，奠定了理論基礎(chǔ)，也為受精卵在輸卵管中的輸運(yùn)現(xiàn)象提供了一種新的解釋。

　　該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（11125211，11372317）及科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃（2012CB937500）的支持，相關(guān)成果發(fā)表于Colloids and Surfaces B: Biointerfaces，J. Appl. Phys.以及Nature出版集團(tuán)期刊Scientific Reports上。

　　圖1. 實(shí)驗(yàn)裝置（A）示意圖，軟膠泡被放置在粘性熱塑性橡膠薄膜上，薄膜粘附在剛性基底上。拉伸薄膜的一側(cè)，在其中產(chǎn)生應(yīng)變梯度，并且在與剛性基底接觸的界面處產(chǎn)生界面裂紋，當(dāng)裂紋尖端抵達(dá)軟膠泡時(shí)，軟膠泡被驅(qū)動(dòng)向前滾動(dòng)。（B）實(shí)驗(yàn)結(jié)果，軟膠泡沿著界面裂紋擴(kuò)展的方向滾動(dòng)。

　　圖2. 黑色剛性基底上放置一條石墨烯條帶，該條帶與剛性基底通過(guò)彈簧連接，上面放置一個(gè)小石墨烯滑片。當(dāng)石墨烯條帶的拉伸量達(dá)到一定值時(shí)，其下的彈簧陸續(xù)斷裂，并同時(shí)在斷裂前端的石墨烯條帶上產(chǎn)生應(yīng)變梯度，當(dāng)應(yīng)變梯度區(qū)域抵達(dá)小滑塊時(shí)，滑塊即被驅(qū)動(dòng)。顏色表示拉伸基底的應(yīng)變。