自从诺贝尔奖得主 Richard Feynman 在 1961 年发表举世闻名的“There's Plenty of Room at the Bottom”演讲以来，微纳 尺度研究在过去几十年成为新兴的研究前 沿。微纳尺度流动中，由于粘性力及布朗运 动起主导，如何有效控制物体运动变得极为 困难且成为困扰研究者的一大难题。近年来， 随着我国对人民生命健康的关注，微纳尺度 流动中的物体运动控制问题在生命健康领域 逐渐凸显，亟待进行相关研究。

　　一、活性颗粒的发现和发展

　　为解决这一问题，一类被称作“活性颗 粒”(active particles) 的微纳尺度物质因 其主动运动性吸引了研究者的广泛关注。活 性颗粒是基于研究者对自然界微生物的模仿 由人工合成的微纳尺度颗粒，能通过化学反 应等不同形式将所在流体环境中的化学能等 能量转化为驱动自身运动的机械能。相较于 微纳尺度布朗颗粒 (Brownian particles)， 活性颗粒运动具有方向性且可受到外部物理 场控制。在此背景下，通过数十年的研究， 涌现了包括获得 2016 年诺贝尔奖的分子机 器及 Nanocar Race 等新成果， 显示了利用 活性颗粒解决微纳尺度下物体运动控制问题的可能性。近年来，多篇重要的综述发表于 《Annu. Rev. Fluid Mech.》  和《Rev. Mod. Phys》，持续关注了活性颗粒在微纳 尺度流体系统中的运动机理及应用，认为活 性颗粒及其应用是微纳流体力学与界面科学 的交叉前沿，突显了其重要性。

　　

　　图 1 (a) 微纳马达的生物医疗领域重要应用；

　　(b) 典型微纳马达自泳动推进

　　二、实际应用前景

　　活性颗粒已在实际应用中展现出诱人的 应用前景。21 世纪初， 微纳 马达 (Micro/ Nano-motors) 这一多学科交叉的新兴技术 的提出，是活性颗粒成功应用的明证。微纳 马达可在生物医疗等领域作为药物输运的载 体以及辅助医学诊疗的工作(图 1a) 。常见 的微纳马达尺寸量级从 0.1 到 100 不等，运 动速度处于 1-100 量级，对应的雷诺数 Re 约为 10-7-10-3 。正如诺贝尔奖得主de Gennes 所分析，微纳马达的运动主要 源自其周围的局部流体中产生的物理场梯 度(浓度、温度、电磁场等) ，通过物理 场驱动颗粒界面的流动实现泳动型自驱动 (Phoretic Self-propulsion)，  简 称 为 自 泳 动 ( 图 1b)。由于自泳动需要非均匀物理场 的存在，微纳马达通常呈现自身结构的非对 称性，基于这一特征研究者常用古希腊的双 面神“Janus” 来命名微 纳 马达。Janus 微 纳马达由于自推进及可智能操纵等特性，在 微纳机器人、精准药物输运、污染物处理、 自组装等领域得到了成功应用。尽管还有很 长 的一段距离， 但像科幻 电影《Fantastic

　　Voyage》中利用微型化进入人体内进行治疗 的科幻场景及概念也非遥不可及。研究者正 逐步尝试利用微纳马达等活性颗粒在血管中 实现药物输运和精准治疗等应用(图 2a)。

　　

　　图 2 (a) 微纳马达在人体血管中实现药物输运 [11]； 

　　(b) 微纳马达所受到的常见复杂限域

　　三、未来研究挑战

　　然而，现有活性颗粒或微纳马达研 究往往局限于体相溶液中，不考虑边界或 界面的影响，缺乏对微纳马达在复杂限域 (Confinements) 条件下运动机理及特性 的 研究。实际应用中，无论是在生物体内 (in vivo) 还是微流芯片中，微纳马达都必须在比实验室更为复杂限域系统中进行运作，例 如血管、微流控芯片、多孔介质等。复杂限 域系统中，往往存在大量如小孔、管道、狭 缝等 3D 空间物理边界(图 2b) ，或是由 于多颗粒及多相共存导致的相界面、拥堵环 境及群聚现象。这些复杂限域可引入多种形 式的物理机制影响，如壁面引起的剪切流或 Poiseuille 流动、外电场导致的电渗流、颗粒 间流体力学及化学扰动等，从而不可避免的 改变微纳马达在流体中的运动。当前相关研 究的匮乏，不利于研究者对微纳马达在复杂 系统中运动特性的理解，会限制未来微纳马 达在类似系统中的实际应用。

　　上述实际挑战都显示解决活性颗粒相关 应用问题还需进一步深入研究。微纳尺度流 动课题组根据自身情况，努力践行老一辈科 学家的奉献精神，围绕着人民生命健康这一 国家需求，聚焦国际前沿活性颗粒研究及应 用，高标准严要求地推动自主研发创新。课 题组近年通过引进多名海外青年优秀人才， 力求打造一支在微纳尺度流动和活性颗粒研 究领域具有国际竞争力的人才队伍，肩负起 我国高水平科技自主自强的使命。