烷烃|Nature子刊：油滴“游泳”，姿势少见机器人

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近几十年，微/纳米机器人的研究发展迅速，在各自的赛道竞相追逐，像极了正在参加奥运会的运动员。其中，有的是“跑步运动员”，挑战速度与激情；有的是“体操运动员”，挑战敏捷与灵活。它们主要通过化学能或热声光电等各种类型的能量驱动，转化为机械能来实现运动。

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基于不同能量驱动的微/纳米机器人。图片来源：Adv. Sci. [1]
微/纳米机器人为未来医学领域的发展描绘出美好的愿景。人的身体70%由水构成，于是，能在液体中游动的“游泳运动员”成为了研究热门，研究的内容也是五花八门。不少研究者从自然界获得灵感，设计的微/纳米机器人具有类似细菌鞭毛的长长尾巴。比如2015年一篇Nano Letters 报道了微/纳米机器人“尾巴”越长不一定游得就快，螺旋结构才是速度关键 [2]；再比如今年一篇PNAS，研究了两条“尾巴”比一条“尾巴”更好，可以减少因旋转消耗的能量 [3]。

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螺旋“尾巴”和双“尾巴”。图片来源：Nano Lett. [2],PNAS[3]
近日，保加利亚索菲亚大学的Nikolai Denkov博士与来自波兰华沙大学、英国玛丽女王伦敦大学、剑桥大学的合作者们共同在Nature Physics 杂志上发表论文，报道了他们设计的会“游泳”的自组装微液滴。同样从鞭毛运动中寻找灵感，这种微液滴不但可以自己长出弹性“尾巴”推动前进，还可以把“尾巴”收回来，其生长与收回只需要升降5 °C的温度控制即可实现。进一步研究发现，这种微液滴“游泳机器人”的驱动力来自温度变化诱导的表面相变。

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液滴“尾巴”的可逆调控（降温生长、升温收回）。图片来源：Nat. Phys.
微液滴的制备非常简单。研究者将油性烷烃，正十五烷或正十四烷，滴在表面活性剂~1.5?wt%的水溶液中，控制温度分别为约8°C和约2°C。液滴初始为稳定的球状，随着温度降低（降温速率0.1~1?°C min–1），液滴形成四面体或五棱锥。与此同时，一个或两个尖角转化为“喷嘴”，快速挤出直径均匀的长丝，就是上图中我们看到的“尾巴”。

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乳化液滴冷却时变形，长出“尾巴”。图片来源：Nat. Phys.
有趣的是，尾巴的数量与油性微液滴尺寸没有明显的关系，而与降温速率有关：当降温速率较慢时（~0.1?°C min–1），微液滴只产生一条尾巴；当降温速率较快时（~0.5?°C min–1），大部分微液滴产生两条尾巴；而当降温速率介于二者之间时，一条和两条尾巴的情况会同时存在。

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降温速率会影响液滴“尾巴”的数量。图片来源：Nat. Phys.
油性微液滴是如何变成“游泳机器人”并长出尾巴的呢？早在2015年，Nikolai Denkov就作为一作在Nature杂志上发表论文，讨论过这个问题 [4]。形成油性微液滴的烷烃分子和表面活性剂的亲油端都有较长的碳链，表面活性剂分子排列在油性微液滴外层，降低其表面张力。当温度冷却至接近油性微液滴凝固点的时候，这些烷烃开始旋转移动，并趋向于规则排列，研究者称这种过渡状态为“旋转相”，烷烃分子具有一定规整度，但仍可以自由旋转。