浙大劉平偉Nature Materials封面文章|自動(dòng)穿孔納米加工技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)細(xì)胞狀微型機(jī)器人的大批量制造
細(xì)胞大小的智能機(jī)器人具有很大的應(yīng)用潛力，如將其分散、流動(dòng)到傳統(tǒng)電子器件難以進(jìn)入的封閉環(huán)境中，如石油、天然氣管道或人體的胃腸道以及血管中等，去采集、記錄和發(fā)送相應(yīng)環(huán)境的信息，可實(shí)現(xiàn)“Internet of Things”。如何批量制造這種自驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人？將納米電子元件或電子電路可控地植入到細(xì)胞尺寸大小的膠體顆粒為解決這一問題提供新的思路（圖1）。石墨烯等二維材料及相應(yīng)的二維納米電子器件由于它們優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)及化學(xué)性質(zhì)和功能等，廣受關(guān)注。但目前批量的將這些二維材料與器件可控的復(fù)合到膠體微粒，制備得到相應(yīng)的微粒電子器件和機(jī)器人極具挑戰(zhàn)，主要原因包括（1）傳統(tǒng)自上而下的光刻技術(shù)不適用于膠體體系的規(guī)模加工和生產(chǎn)；（2）原子厚度的石墨烯等二維材料薄而脆，其斷裂行為難以控制。
圖1. 通過二維納米電子器件及其它納米材料與膠體顆?？煽丶芍苽涞奈⑿蜋C(jī)器人卡通圖
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針對(duì)該挑戰(zhàn)，浙江大學(xué)化工學(xué)院劉平偉研究員和麻省理工學(xué)院的Michael S. Strano課題組合作開發(fā)了一種全新的微納加工技術(shù)—自動(dòng)穿孔（autoperforation）納米加工技術(shù)（圖2，Nature Materials 17, 1005, 2018)。該技術(shù)是一種基于二維材料可控?cái)嗔训募庸な侄危ㄟ^噴墨打印在二維材料（如通過化學(xué)氣相沉積制得的石墨烯、二硫化鉬或六方硼氮化物等）表面構(gòu)建由聚合物或聚合物納米復(fù)合物的顆粒陣列，接著將另一種二維材料覆蓋在該陣列表面，形成夾層結(jié)構(gòu)。該顆粒陣列可誘導(dǎo)二維材料包裹層產(chǎn)生局部的環(huán)形應(yīng)力場，該環(huán)向應(yīng)力可引導(dǎo)和控制二維材料的裂紋的可控?cái)U(kuò)展，實(shí)現(xiàn)沿著打印顆粒的邊沿進(jìn)行的可控?cái)嗔眩撨^程即為“自動(dòng)穿孔”。利用這種方法，可以定制得到殼層是連續(xù)二維材料，內(nèi)核為打印材料的特殊微粒。在加工方法可以精確的控制粒子殼層的二維材料種類、表面官能團(tuán)、內(nèi)核組成、顆粒形狀和大小等多個(gè)方面。此外，自動(dòng)打孔技術(shù)的操作條件簡單，不需要使用成本高昂、操作復(fù)雜的無塵室。
? ?圖2. 二維材料如石墨烯的可控?cái)嗔鸭白詣?dòng)穿孔技術(shù)：石墨烯等二維材料是一種超薄、“松軟”和強(qiáng)度很高的材料，實(shí)際上它很脆。自動(dòng)穿孔技術(shù)就是利用它的脆性，控制斷裂過程，施加一個(gè)應(yīng)變場引導(dǎo)產(chǎn)生形狀和大小一致的碎片。當(dāng)頂層的石墨烯覆蓋在圓柱形狀的聚合物顆粒陣列上時(shí)，石墨烯覆蓋在圓柱邊緣上的地方就會(huì)在材料中形成環(huán)向應(yīng)力場。在打印的聚合物粒子上覆蓋石墨烯或其他二維材料，就像一塊桌布慢慢地落在一張圓形桌子上，桌子邊緣會(huì)發(fā)展產(chǎn)生環(huán)形應(yīng)變場，引導(dǎo)二維材料裂紋的擴(kuò)展。
? ?通過自穿孔納米加工技術(shù)可以制得尺寸從約10微米到100微米左右的微粒，他們類似于人體紅細(xì)胞，在顯微鏡下，具有像活的生物細(xì)胞類似的獨(dú)立、自由浮動(dòng)行為，可通過磁場驅(qū)動(dòng)。其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)以及二維材料的引入，賦予了這些“微粒特殊的電子功能和化學(xué)傳感功能，他們可以采集和記錄環(huán)境周圍的信息，包括記錄探針臺(tái)寫入的電子信息，以及土壤和水體中的化學(xué)物質(zhì)信息，如金屬污染納米粒子或離子。因此，這些微粒機(jī)器人有望能廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)藥研究領(lǐng)域，也可以將其注入石油或天然氣管道，獲取所需的環(huán)境數(shù)據(jù)。利用自動(dòng)打孔技術(shù)這種新的微納加工技術(shù)，研究人員可將原子般薄的表面裁剪成所需的形狀，并包裹不同的微納材料，以便應(yīng)用到不同的學(xué)科和領(lǐng)域?？傊?，自動(dòng)打孔技術(shù)也提供了一種全新的在微粒尺度內(nèi)集成不同微納電子器件的方法，有望用來大批量生產(chǎn)具有更復(fù)雜功能的微型自驅(qū)動(dòng)的膠體機(jī)器人（圖1）。例如，其可收集或儲(chǔ)存能量，具有邏輯計(jì)算功能，傳感檢測，信息存儲(chǔ)和時(shí)間記憶等功能等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生命細(xì)胞的仿生，所以也可稱為合成細(xì)胞?(Synthetic Cells) 或者膠體機(jī)器?(Colloidal State Machines)（Nature Nanotechnology, 2018, 13, 819–827 ）。
該工作得到了浙江大學(xué)“百人計(jì)劃”啟動(dòng)基金等項(xiàng)目的支持，相關(guān)論文以“Autoperforation of 2D materials for generating two-terminal memristive Janus particles”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域權(quán)威期刊Nature Materials上發(fā)表，并被選為11月封面文章，論文鏈接為https://www.nature.com/articles/s41563-018-0197-z。新加坡南洋理工大學(xué)Qiyuan He和Hua Zhang教授在同期的Nature Materials 上專門撰寫了點(diǎn)評(píng)文章，認(rèn)為該研究提供了一種全新的微納制造技術(shù)，為二維材料和微納米顆粒的可控復(fù)合及表面功能性集成提供了新的思路。論文第一單位為浙江大學(xué)，第一作者為劉平偉研究員，美國麻省理工學(xué)院Michael Strano教授是該論文的通訊作者。
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