能夠自主運動的微納米機器在過去的10多年間得到了飛速的發展。而作為關鍵的動力部件，微納馬達（能夠將周圍環境中的能量轉化為自身運動的活性微納顆粒）的研究也逐漸深入。其中，微氣泡驅動的微馬達作為驅動效率最高的一種，其驅動的機理引起來廣泛的研究興趣。
不同于以往研究局限于規則球型微馬達，研究團隊通過自研的微流控芯片技術制備了具有不同凹/凸曲面的碗狀微馬達。通過鍍層位置控制微氣泡分別生成于凹面或者凸面，可以相應的實現微馬達朝凸面或凹面驅動。研究首先揭示了曲面曲率對微氣泡成核及生長過程的影響，發現凹面抑制氣泡形成導致較小的微氣泡尺寸及較慢的氣泡生長周期。進而通過引入Kelvin沖量來描述氣泡潰滅形成的射流對微馬達的驅動作用。由于射流對應的Re數可達到10，不能簡單的基于低Re數Stokes流理論忽略微馬達形狀的影響。綜合上述因素，發現并解釋了從凸面生長氣泡并朝凹面運動的微馬達具有更高的速度。研究結果為通過形狀調控微馬達驅動機制及微氣泡動力學行為提供了理論基礎，并為微機器人應用中采用非常規形狀微馬達提供了新的思路。
該工作以“Distinct dynamics of self-propelled bowl-shaped micromotors caused by shape effect: Concave vs convex”為題發表于流體力學重要期刊Physics of Fluids (2021, 33: 122004)。論文第一作者為力學所博士研究生王鐸，合作者包括鄭旭副研究員(共同通訊作者)和關東石研究員。本文前期關于復雜形狀微馬達的微流控制備方法的結果也于今年早些時候發表于Acta Mechanica Sinica (Flow-pattern-altered syntheses of core-shell and hole-shell microparticles in an axisymmetric microfluidic device, 2021, doi:10.1007/s10409-021-01096-w)。
圖1 微流控制備方法
圖2 凹馬達(左)和凸馬達(右)的氣泡潰滅射流流場顯示
圖3 凹馬達(左列)和凸馬達(右列)相應的實驗圖像、驅動速度及氣泡生長標度率