【学术聚焦】2024年第45期：化工学院张健华博士在《ACS Nano》上发表基于静电纺丝制备复合管状微米马达普适性方法的研究成果

近日，我校化工学院张健华博士与刘丽君教授、武汉理工大学牟方志研究员合作在《ACS Nano》上发表题为“Generalized and Scalable Synthesis of Manganese Dioxide-Based Tubular Micromotors for Heavy Metal Ion Removal”的高水平论文（https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11716）。武汉纺织大学化工学院为第一通讯单位。

胶体微纳米马达可以通过表面反应或外部刺激（光、电、磁、超声等）获取能量来实现运动并执行任务。其中，化学驱动的微纳米马达因其自主性和智能行为在生物医学和环境修复领域具有潜在的应用前景。气泡驱动的微纳米马达具有超高的运动速度（可达每秒数百微米），可以增强其与废水的接触几率和物质交换能力。管状微纳米马达具有空腔结构，有利于气泡的成核、生长和喷射。这些结构还具有较大的比表面积，能够在环境应用中提升它们在化学降解以及物理和化学吸附方面的速度和效率。目前，为了制备微纳米管，已经开发了多种途径，如卷曲法、模板辅助法、自组装法和物理气相沉积法。然而，这些方法存在成本高且难以大批量制备的问题。

图1. 基于静电纺丝制备MnO₂-TMs的示意图

该团队基于静电纺丝，提出了一种低成本、大批量制备MnO₂基复合管状微米马达（MnO₂-TMs）的普适性方法，并实现了高效的重金属离子去除。源于基质材料的固有柔韧性，此方法可获得多种不同形态的MnO₂-TMs。随着形态的变化，基于气泡驱动的MnO₂-TMs表现出多模式的运动行为，包括直线型、圆周型、螺旋型甚至随机摆动型。为了阐明形态与运动的内在关系，作者系统地模拟了MnO₂-TMs周围的流体动力学。通过引入Fe₃O₄纳米颗粒，能够实现对MnO₂-TMs的磁操控，进行定向导航和高效回收。得益于这些特性，MnO₂-TMs在去除废水中的重金属离子方面表现出卓越的性能。值得注意的是，其磁性属性能够促进微马达的快速分离和回收，吸附的离子也可通过调节pH值轻松回收。

图2.形貌调控的多模态运动行为分析

图3.重金属离子去除和回收实验研究

作者简介：张健华博士于2022年7月加入化学与化工学院应用化学系，主要从事功能微纳米材料合成、运动机理和群体行为相关的研究，以第一作者或通讯作者在ACS Nano、Trends Chem.、Research、J. Colloid Interface Sci.、ACS Appl. Mater. & Interfaces等杂志发表13篇论文。