阅读说明：本技术 一种纳米发动机及其提供动力的方法和纳米机器人 (Nano engine, method for providing power by nano engine and nano robot ) 是由 孙若为 孙一绮 于 2019-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明属于纳米科技领域,尤其涉及一种纳米发动机及其提供动力的方法和纳米机器人。本发明提供的纳米发动机包括：壳体,壳体的内腔被隔离板分隔为第一腔室和第二腔室；第一腔室的室壁上设置有开口；固定在隔离板上的阴极和阳极,阴极和阳极均是一端位于所述第一腔室,另一端位于第二腔室,阴极和阳极位于第二腔室的一端通过导线相连；贯穿第二腔室的排气管,排气管的进气端位于所述第一腔室,排气管的出气端位于壳体外部。本发明针对现有化学能驱动的纳米发动机动力不足,无法长时间提供足够动力维持运作的缺点,提供了一种全新结构的纳米发动机,该纳米发动机可利用两步反应获得动力,因此在动力持久性上更具优势,运行时长可得到很大的提高。(The invention belongs to the field of nanotechnology, and particularly relates to a nano engine, a method for providing power by using the nano engine and a nano robot. The present invention provides a nano-engine comprising: the inner cavity of the shell is divided into a first cavity and a second cavity by a partition plate; an opening is arranged on the wall of the first chamber; the cathode and the anode are fixed on the partition plate, one ends of the cathode and the anode are positioned in the first cavity, the other ends of the cathode and the anode are positioned in the second cavity, and the cathode and the anode are connected through a lead at one end of the second cavity; the exhaust pipe penetrates through the second cavity, the air inlet end of the exhaust pipe is located in the first cavity, and the air outlet end of the exhaust pipe is located outside the shell. The invention provides a nano engine with a brand new structure aiming at the defects that the existing chemical energy driven nano engine has insufficient power and can not provide enough power for a long time to maintain operation.)

一种纳米发动机及其提供动力的方法和纳米机器人

技术领域

本发明属于纳米科技领域，尤其涉及一种纳米发动机及其提供动力的方法和纳米机器人。

背景技术

纳米级的机器人已经成为当前最热门的研究之一。纳米机器人可以代替人完成许多复杂高精度的工作，在其运动过程中，纳米发动机是其最关键的一部分，保障纳米机器人在运动中足够的动能。

早期国内外对于纳米发动机的研究主要集中在激光驱动的纳米发动机，所谓激光驱动是指利用激光对纳米发动机进行加热，利用聚合物中包裹的金属离子聚集和分解过程中存储和释放能量的原理为纳米机器人提供动能，但能量的释放无法进行合理地控制，无法保障纳米机器人的运动速率。因此，研发人员们想到了利用化学反应产生气体来推动纳米机器人的运动，即开发化学能驱动的纳米发动机。

目前，化学能驱动的纳米发动机普遍存在着动力不足的问题，无法长时间提供足够动力维持纳米机器人的运作，因此如何提升纳米发动机的动力持久性，是本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纳米发动机及其提供动力的方法和纳米机器人，本发明提供的纳米发动机在动力持久性方面具有较大优势。

本发明提供了一种纳米发动机，包括：

壳体，所述壳体的内腔被隔离板分隔为第一腔室和第二腔室；所述第一腔室的室壁上设置有开口；

固定在所述隔离板上的阴极和阳极，所述阴极和所述阳极均是一端位于所述第一腔室，另一端位于所述第二腔室，所述阴极和所述阳极位于第二腔室的一端通过导线相连；

贯穿所述第二腔室的排气管，所述排气管的进气端位于所述第一腔室，所述排气管的出气端位于壳体外部。

优选的，所述壳体的一端为半球形，所述排气管的出气端设置在与其相对的另一端。

优选的，所述阴极为石墨电极；所述阳极为石墨电极。

优选的，所述导线为铜导线。

优选的，所述排气管的出气端覆盖有允许气体通过的半透膜。

优选的，所述排气管的数量为多个。

本发明提供了一种纳米发动机提供动力的方法，包括以下步骤：

a)通过开口向上述技术方案所述的纳米发动机的第一腔室内加入碳酸钠和盐酸，封闭所述开口；碳酸钠和盐酸在所述第一腔室进行反应，反应产生的气体通过所述排气管释放到纳米发动机的外部，提供第一阶段的推动力；

b)采用无线充电的方式对所述阴极和阳极进行电流输送，所述阴极和阳极电解所述第一腔室内碳酸钠和盐酸反应后的产物，电解产生的气体通过所述排气管释放到纳米发动机的外部，提供第二阶段的推动力。

优选的，步骤a)中，在将所述碳酸钠加入到第一腔室之前，先用水溶性膜对所述碳酸钠进行包裹。

优选的，步骤a)中，所述盐酸的浓度为0.05～0.5mol/L。

本发明提供了一种纳米机器人，所述纳米机器人的发动机为上述技术方案所述的纳米发动机。

与现有技术相比，本发明提供了提供一种纳米发动机及其提供动力的方法和纳米机器人。本发明提供的纳米发动机包括：壳体，所述壳体的内腔被隔离板分隔为第一腔室和第二腔室；所述第一腔室的室壁上设置有开口；固定在所述隔离板上的阴极和阳极，所述阴极和所述阳极均是一端位于所述第一腔室，另一端位于所述第二腔室，所述阴极和所述阳极位于第二腔室的一端通过导线相连；贯穿所述第二腔室的排气管，所述排气管的进气端位于所述第一腔室，所述排气管的出气端位于壳体外部。该纳米发动机提供动力的方法包括以下步骤：a)通过开口向所述纳米发动机的第一腔室内加入碳酸钠和盐酸，封闭所述开口；碳酸钠和盐酸在所述第一腔室进行反应，反应产生的气体通过所述排气管释放到纳米发动机的外部，提供第一阶段的推动力；b)采用无线充电的方式对所述阴极和阳极进行电流输送，所述阴极和阳极电解所述第一腔室内碳酸钠和盐酸反应后的产物，电解产生的气体通过所述排气管释放到纳米发动机的外部，提供第二阶段的推动力。本发明针对现有化学能驱动的纳米发动机动力不足，无法长时间提供足够动力维持运作的缺点，提供了一种全新结构的纳米发动机，该纳米发动机在提供动力时首先利用碳酸钠(Na₂CO₃)与盐酸(HCl)反应生成的二氧化碳(CO₂)为纳米发动机提供第一阶段的动力；之后利用电解碳酸钠和盐酸反应生成的氯化钠(NaCl)溶液制备氢气(H₂)和氯气(Cl₂)为纳米发动机提供第二阶段的动力。本发明提供的纳米发动机可利用两步反应获得动力，因此在动力持久性上更具优势，纳米发动机的运行时长可得到很大的提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的纳米发动机的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的纳米发动机运动速度-时间曲线图；

图3是本发明实施例2提供的纳米发动机运动速度-时间曲线图；

图4是本发明实施例3提供的纳米发动机运动速度-时间曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种纳米发动机，包括：

壳体，所述壳体的内腔被隔离板分隔为第一腔室和第二腔室；所述第一腔室的室壁上设置有开口；

固定在所述隔离板上的阴极和阳极，所述阴极和所述阳极均是一端位于所述第一腔室，另一端位于所述第二腔室，所述阴极和所述阳极位于第二腔室的一端通过导线相连；

贯穿所述第二腔室的排气管，所述排气管的进气端位于所述第一腔室，所述排气管的出气端位于壳体外部。

参见图1，图1是本发明实施例提供的纳米发动机的结构示意图。图1中1为壳体，2为隔离板，3为开口，4为阴极、5为阳极，6为导线，7为排气管。

本发明提供的纳米发动机包括壳体1、隔离板2、开口3、阴极4、阳极5、导线6和排气管7。其中，壳体1的厚度优选为50～300nm，具体可为50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm、190nm、200nm、210nm、220nm、230nm、240nm、250nm、260nm、270nm、280nm、290nm或300nm；壳体1的材质优选为TiO₂。在本发明提供的一个实施例中，壳体1的一端为半球形，与所述半球形相接的部分为圆柱形。在本发明提供的一个实施例中，壳体1圆柱形部分的轴向长度优选为500～1000nm，具体可为500nm、520nm、550nm、570nm、600nm、620nm、650nm、670nm、700nm、720nm、750nm、770nm、800nm、820nm、850nm、870nm、900nm、920nm、950nm、970nm或1000nm；壳体1圆柱形部分的径向长度优选为200～800nm，具体可为200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm或800nm。

在本发明中，隔离板2将壳体1的内腔分隔为两个独立的腔室，分别命名为第一腔室和第二腔室。在本发明提供的一个壳体1的一端为半球形，与所述半球形相接的部分为圆柱形的实施例中，隔离板2沿所述圆柱形的径向将壳体1的内腔分隔为两个独立的腔室。在本发明中，隔离板2的材质优选为TiO₂；所述第一腔室和第二腔室的体积比优选为(2～5)：1，具体可为2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1或5:1。

在本发明中，开口3设置在所述第一腔室的室壁上，作为向第一腔室添加物料的通道。在本发明提供的一个实施例中，开口3的形状为方形，方形开口3的边长优选为20～80nm，具体可为20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm或80nm。

在本发明中，阴极4和阳极5固定在隔离板2上，阴极4和阳极5的一端位于所述第一腔室内，另一端位于所述第二腔室内，阴极4和阳极5位于所述第二腔室内的一端通过导线6相连。在本发明中，阴极4和阳极5优选均为石墨电极；导线6优选为铜导线。在本发明中，阴极4和阳极5优选对称设置，阴极4距离壳体1内壁的最短距离优选为50～100nm，具体可为50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm或100nm；阳极5距离壳体1内壁的最短距离优选为50～100nm，具体可为50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm或100nm。在本发明中，导线6的直径优选为5～20nm，具体可为5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、18nm、19nm或20nm；导线6的长度优选为200～600nm，具体可为200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm或600nm。

在本发明中，排气管7贯穿所述第二腔室，排气管7的进气端位于所述第一腔室内，排气管7的出气端位于壳体1的外部，用于将第一腔室内产生的气体排放到壳体1外，为纳米发动机提供推动力。在本发明中，排气管7的内径优选为50～100nm，具体可为50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm或100nm；排气管7的材质优选为TiO₂。在本发明中，排气管7的数量优选为多个，更优选为两个，两个排气管7中的一个位于阴极4附近，另一个位于阳极5附近。在本发明中，排气管7的出气端优选覆盖有允许气体通过的半透膜，用于隔离外界大分子物质进入第一腔室。在本发明提供的一个壳体1的一端为半球形的实施例中，排气管7的出气端设置在与其相对的另一端。

本发明还提供了一种纳米发动机提供动力的方法，包括以下步骤：

a)通过开口向上述技术方案所述的纳米发动机的第一腔室内加入碳酸钠和盐酸，封闭所述开口；碳酸钠和盐酸在所述第一腔室进行反应，反应产生的气体通过所述排气管释放到纳米发动机的外部，提供第一阶段的推动力；

b)采用无线充电的方式对所述阴极和阳极进行电流输送，所述阴极和阳极电解所述第一腔室内碳酸钠和盐酸反应后的产物，电解产生的气体通过所述排气管释放到纳米发动机的外部，提供第二阶段的推动力。

在本发明提供的方法中，首先通过开口3向所述纳米发动机的第一腔室内加入碳酸钠和盐酸，之后封闭开口3。加入到第一腔室内的碳酸钠和盐酸混合反应，反应产生的CO₂气体通过排气管3释放到纳米发动机的外部，提供第一阶段的推动力，涉及的化学反应方程式如下：

Na₂CO₃+2HCl＝2NaCl+H₂O+CO₂↑。

在本发明提供的方法中，所述盐酸的浓度优选为0.05～0.5mol/L，更优选为0.1mol/L，具体可为0.05mol/L、0.1mol/L、0.15mol/L、0.2mol/L、0.25mol/L、0.3mol/L、0.35mol/L、0.4mol/L、0.45mol/L或0.5mol/L；所述碳酸钠和所述盐酸中氢离子的摩尔比优选为1：(1～3)，更优选为1:2；所述反应的温度优选为15～35℃，具体可为15℃、16℃、17℃、18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃(室温)、26℃、27℃、28℃、29℃、30℃、31℃、32℃、33℃、34℃或35℃。在本发明中，在将所述碳酸钠加入到第一腔室之前，优选先用水溶性膜对所述碳酸钠进行包裹，以推迟碳酸钠和盐酸反应的时间，从而为封闭开口3预留充裕的时间。

在本发明提供的方法中，完成第一阶段推动力的提供后(即，碳酸钠和盐酸反应完毕后)，采用无线充电的方式对所述纳米发动机的阴极4和阳极5进行电流输送，阴极4和阳极5在获得电流后对所述第一腔室内碳酸钠和盐酸反应产生的NaCl溶液进行电解，电解NaCl溶液的过程中，在阴极4上产生氢气，在阳极5上产生氯气，电解产生的氢气和氯气通过排气管3释放到纳米发动机的外部，提供第二阶段的推动力，涉及的化学反应：

阴极：2H⁺+2e^-＝H2↑；阳极：2Cl^--2e^-＝Cl₂↑；

总反应方程式：2NaCl+2H₂O＝2NaOH+H₂↑+Cl₂↑。

在本发明提供的方法中，所述无线充电的方式优选为电磁感应无线充电。

在本发明提供的方法中，可通过控制电解电压的大小间接控制电解速率大小，从而调节纳米发动机的动力大小。在本发明中，优选向阴极4和阳极5输送电压为0.5～1.3V的恒定电流，可以产生更多气体，从而获得足够的动能。

在本发明提供的方法中，还可通过控制电解温度的高低间接控制电解速率大小，调节纳米发动机的动力大小。在本发明中，随着电解池反应的进行，NaCl溶液的浓度会下降，反应速率下降，生成气泡的速率随之降低。因此，为了确保纳米发动机能够提供足够的动力，本发明优选使用外部微波辐射纳米发动机，反应物分子吸收了微波的辐射能后，运动速率加快，从而可提高反应生成气泡的速率。在本发明中，微波辐照不仅加热速度快，而且加热均匀而无温度梯度，可以很好的提高电解反应速率。

本发明针对现有化学能驱动的纳米发动机动力不足，无法长时间提供足够动力维持运作的缺点，提供了一种全新结构的纳米发动机，该纳米发动机在提供动力时首先利用碳酸钠(Na₂CO₃)与盐酸(HCl)反应生成的二氧化碳(CO₂)为纳米发动机提供第一阶段的动力；之后利用电解碳酸钠和盐酸反应生成的氯化钠(NaCl)溶液制备氢气(H₂)和氯气(Cl₂)为纳米发动机提供第二阶段的动力。本发明提供的纳米发动机及其提供动力的方法至少具有以下优点：

1)本发明采用了两步反应原理来获得纳米发动机的动力，因此在动力持久性上更具优势，纳米发动机的运行时长得到很大的提高。

2)本发明采用无线充电技术为纳米发动机提供电流，当第一阶段纳米发动机运动结束后，只需通入电流便可以启动纳米发动机的第二阶段运行。纳米发动机的动力大小可以通过改变电流大小和溶液温度来进行调控，外部控制比较简单方便。

3)在保证输入电流电压合适的范围内，本发明提供的纳米发动机有较长的使用寿命，一般不会出现故障，且该纳米发动机可以进行循环利用，因此维护成本和使用成本都较低。

本发明还提供了一种纳米机器人，所述纳米机器人的发动机为上述技术方案所述的纳米发动机。本发明提供的纳米机器人装配有所述纳米发动机，可为纳米机器人的作业提供充足的动力，保障纳米机器人顺利地完成任务。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

实施例1

1)纳米发动机的结构：

一种如图1所示结构的纳米发动机，包括壳体1、隔离板2、开口3、阴极4、阳极5、导线6和排气管7。其中，壳体1的厚度为100nm，壳体1的材质为TiO₂；壳体1的一端为半球形，与所述半球形相接的部分为圆柱形，壳体1圆柱形部分的轴向长度为800nm，径向长度为500nm。

在本实施例中，隔离板2沿所述圆柱形的径向将壳体1的内腔分隔为两个独立的腔室，分别命名为第一腔室和第二腔室；隔离板2的材质为TiO₂；所述第一腔室和第二腔室的体积比为3：1。

在本实施例中，开口3设置在所述第一腔室的室壁上，作为向第一腔室添加物料的通道，开口3的形状为方形，边长为50nm。

在本实施例中，阴极4和阳极5固定在隔离板2上，阴极4和阳极5的一端位于所述第一腔室内，另一端位于所述第二腔室内，阴极4和阳极5位于所述第二腔室内的一端通过导线6相连。

在本实施例中，阴极4和阳极5均为石墨电极，导线6为铜导线；阴极4和阳极5以所述圆柱形的轴向为中心对称设置，阴极4和阳极5距离壳体1内壁的最短距离均为80nm；导线6的直径为10nm，长度为400nm。

在本实施例中，排气管7贯穿所述第二腔室，排气管7的进气端位于所述第一腔室内；排气管7的出气端位于壳体1的外部，且位于与壳体1的半球形相对的另一端。在本实施例中，排气管7的内径为80nm，排气管7的材质为TiO₂。在本实施例中，排气管7的数量为两个，两个排气管7中的一个位于阴极4附近，另一个位于阳极5附近。在本实施例中，排气管7的出气端覆盖有允许气体通过的半透膜。

2)纳米发动机的制备：

2-1)纳米发动机壳体的制备：采用多孔阳极氧化铝(PAA)作为主体模板，将纳米结构基本单元组装在模板孔洞中，使用溶胶-凝胶的法制备管径均匀的纳米管，在合适浓度的盐酸和硫酸混合溶液中分解模板，分离出性质稳定、兼容性较好的纳米发动机壳体。

2-2)石墨电极的制备：采用化学气相沉积法(CVD)制备石墨电极，环己烷(C₆H₁₂)作碳源，H₂和N₂的混合气体作载气，通过鼓泡池携带环己烷进入反应炉；使用二茂铁分解的铁颗粒作为反应催化剂，为石墨电极的生长提供成核。

2-3)铜导线的制备：以氧化铝模板为工作电极，铜片为对电极，采用恒电位沉积法制备得到直径约10nm，长度400nm的铜导线。

2-4)铜导线与电极的连接：使用激光进行纳米焊接，将高能电子束直接作用于铜导线与石墨电极的连接部位，持续约10min，接头部分受热熔化，实现铜导线与电极的焊接。

3)纳米发动机的使用情况评价：

在模拟温度为37℃的运行环境下，将本实施例上述提供的纳米发动机置于密度约为ρ＝1.05g/cm～1.06g/cm³，流体比重约为ρg＝10⁴N/m³，黏度为3.5cP的模拟混合溶液中。将水溶性纳米复合薄膜包裹的碳酸钠投入纳米发动机内腔中，在一定时间内常温水溶性薄膜会完全溶解于水中，碳酸钠粉末与浓度为0.1mol/L的稀盐酸溶液接触，此时纳米发动机第一阶段启动完成。使用分解电压为0.8V的恒定电流作为电解回路电流，此时纳米发动机第二阶段启动完成。采用高精度扫描电子显微镜观测该纳米发动机在混合溶液中的运行情况，进行数据记录分析。

在第一阶段，纳米发动机的运动可以基本描述为一个加速-匀速-减速的过程。在起始时刻t₀至t₁时刻，纳米发动机处于加速阶段，纳米发动机的速度从0持续增大。在t₁时刻观测到纳米发动机的运动速率为最大V_max＝0.8mm/s。在t₁-t₂时间段内，纳米发动机速度可描述为匀速运动，纳米发动机运动速率趋于稳定。在t₂-t₃时间段内，随着反应过程的持续进行，反应物减少，纳米发动机运动速度缓慢持续减小直至停止。运动图像如图2，图2是本发明实施例1提供的纳米发动机运动速度-时间曲线图。

在第二阶段，纳米发动机的运动为持续加速和持续减速的过程。在初始阶段t₀-t₁时刻内，随着电解过程的进行，产生了大量的离子，加速了电解速率，纳米发动机运动速度持续增加约为0.5mm/s。在t₁-t₂时刻内，随着电解反应过程的进行，电解溶液浓度降低导致反应速率衰减，产生的动能下降。纳米发动机运动的速度持续缓慢下降，直至停止。运动图像如图2。

实施例2

1)纳米发动机的结构：

一种如图1所示结构的纳米发动机，包括壳体1、隔离板2、开口3、阴极4、阳极5、导线6和排气管7。其中，壳体1的厚度为100nm，壳体1的材质为TiO₂；壳体1的一端为半球形，与所述半球形相接的部分为圆柱形，壳体1圆柱形部分的轴向长度为900nm，径向长度为600nm。

在本实施例中，隔离板2沿所述圆柱形的径向将壳体1的内腔分隔为两个独立的腔室，分别命名为第一腔室和第二腔室；隔离板2的材质为TiO₂；所述第一腔室和第二腔室的体积比为3：1。

在本实施例中，开口3设置在所述第一腔室的室壁上，作为向第一腔室添加物料的通道，开口3的形状为方形，边长为50nm。

在本实施例中，阴极4和阳极5固定在隔离板2上，阴极4和阳极5的一端位于所述第一腔室内，另一端位于所述第二腔室内，阴极4和阳极5位于所述第二腔室内的一端通过导线6相连。

在本实施例中，阴极4和阳极5均为石墨电极，导线6为铜导线；阴极4和阳极5以所述圆柱形的轴向为中心对称设置，阴极4和阳极5距离壳体1内壁的最短距离均为80nm；导线6的直径为10nm，长度为400nm。

在本实施例中，排气管7贯穿所述第二腔室，排气管7的进气端位于所述第一腔室内；排气管7的出气端位于壳体1的外部，且位于与壳体1的半球形相对的另一端。在本实施例中，排气管7的内径为100nm，排气管7的材质为TiO₂。在本实施例中，排气管7的数量为两个，两个排气管7中的一个位于阴极4附近，另一个位于阳极5附近。在本实施例中，排气管7的出气端覆盖有允许气体通过的半透膜。

2)纳米发动机的制备：

2-1)纳米发动机壳体的制备：采用多孔阳极氧化铝(PAA)作为主体模板，将纳米结构基本单元组装在模板孔洞中，使用溶胶-凝胶的法制备管径均匀的纳米管，在合适浓度的盐酸和硫酸混合溶液中分解模板，分离出性质稳定、兼容性较好的纳米发动机壳体。

2-2)石墨电极的制备：采用化学气相沉积法(CVD)制备石墨电极，环己烷(C₆H₁₂)作碳源，H₂和N₂的混合气体作载气，通过鼓泡池携带环己烷进入反应炉；使用二茂铁分解的铁颗粒作为反应催化剂，为石墨电极的生长提供成核。

2-3)铜导线的制备：以氧化铝模板为工作电极，铜片为对电极，采用恒电位沉积法制备得到直径约10nm，长度400nm的铜导线。

2-4)铜导线与电极的连接：使用激光进行纳米焊接，将高能电子束直接作用于铜导线与石墨电极的连接部位，持续约10min，接头部分受热熔化，实现铜导线与电极的焊接。

3)纳米发动机的使用情况评价：

在模拟温度为37℃的运行环境下，将本实施例上述提供的纳米发动机置于密度约为ρ＝1.05g/cm～1.06g/cm³，流体比重约为ρg＝10⁴N/m³，黏度为3.5cP的模拟混合溶液中。将水溶性纳米复合薄膜包裹的碳酸钠投入纳米发动机内腔中，在一定时间内常温水溶性薄膜会完全溶解于水中，碳酸钠粉末与浓度为0.2mol/L稀盐酸溶液接触，此时纳米发动机启动完成。使用分解电压为1.3V的恒定电流作为电解回路电流，此时纳米发动机第二阶段启动完成。采用高精度扫描电子显微镜观测该纳米发动机在混合溶液中的运行情况，进行数据记录分析。

在第一阶段，纳米发动机的运动可以基本描述为一个加速-匀速-减速的过程。在起始时刻t₀至t₁时刻，纳米发动机处于加速阶段，纳米发动机的速度从0持续增大。在t₁时刻观测到纳米发动机的运动速率为最大V_max＝1.02mm/s。在t₁-t₂时间段内，纳米发动机速度可描述为匀速运动，纳米发动机运动速率趋于稳定。在t₂-t₃时间段内，随着反应过程的持续进行，反应物减少，纳米发动机运动速度缓慢持续减小直至停止。运动图像如图3，图3是本发明实施例2提供的纳米发动机运动速度-时间曲线图。

在第二阶段，纳米发动机的运动为持续加速和持续减速的过程。在初始阶段t₀-t₁时刻内，随着电解过程的进行，产生了大量的离子，加速了电解速率，纳米发动机运动速度持续增加约为0.68mm/s。在t₁-t₂时刻内，随着电解反应过程的进行，电解溶液浓度降低导致反应速率衰减，产生的动能下降。纳米发动机运动的速度持续缓慢下降，直至停止。运动图像如图3。

实施例3

1)纳米发动机的结构：

一种如图1所示结构的纳米发动机，包括壳体1、隔离板2、开口3、阴极4、阳极5、导线6和排气管7。其中，壳体1的厚度为100nm，壳体1的材质为TiO₂；壳体1的一端为半球形，与所述半球形相接的部分为圆柱形，壳体1圆柱形部分的轴向长度为800nm，径向长度为500nm。

在本实施例中，隔离板2沿所述圆柱形的径向将壳体1的内腔分隔为两个独立的腔室，分别命名为第一腔室和第二腔室；隔离板2的材质为TiO₂；所述第一腔室和第二腔室的体积比为3：1。

在本实施例中，开口3设置在所述第一腔室的室壁上，作为向第一腔室添加物料的通道，开口3的形状为方形，边长为50nm。

在本实施例中，阴极4和阳极5固定在隔离板2上，阴极4和阳极5的一端位于所述第一腔室内，另一端位于所述第二腔室内，阴极4和阳极5位于所述第二腔室内的一端通过导线6相连。

在本实施例中，阴极4和阳极5均为石墨电极，导线6为铜导线；阴极4和阳极5以所述圆柱形的轴向为中心对称设置，阴极4和阳极5距离壳体1内壁的最短距离均为80nm；导线6的直径为10nm，长度为400nm。

在本实施例中，排气管7贯穿所述第二腔室，排气管7的进气端位于所述第一腔室内；排气管7的出气端位于壳体1的外部，且位于与壳体1的半球形相对的另一端。在本实施例中，排气管7的内径为80nm，排气管7的材质为TiO₂。在本实施例中，排气管7的数量为两个，两个排气管7中的一个位于阴极4附近，另一个位于阳极5附近。在本实施例中，排气管7的出气端覆盖有允许气体通过的半透膜。

2)纳米发动机的制备：

2-1)纳米发动机壳体的制备：采用多孔阳极氧化铝(PAA)作为主体模板，将纳米结构基本单元组装在模板孔洞中，使用溶胶-凝胶的法制备管径均匀的纳米管，在合适浓度的盐酸和硫酸混合溶液中分解模板，分离出性质稳定、兼容性较好的纳米发动机壳体。

2-2)石墨电极的制备：采用化学气相沉积法(CVD)制备石墨电极，环己烷(C₆H₁₂)作碳源，H₂和N₂的混合气体作载气，通过鼓泡池携带环己烷进入反应炉；使用二茂铁分解的铁颗粒作为反应催化剂，为石墨电极的生长提供成核。

2-3)铜导线的制备：以氧化铝模板为工作电极，铜片为对电极，采用恒电位沉积法制备得到直径约10nm，长度400nm的铜导线。

2-4)铜导线与电极的连接：使用激光进行纳米焊接，将高能电子束直接作用于铜导线与石墨电极的连接部位，持续约10min，接头部分受热熔化，实现铜导线与电极的焊接。

3)纳米发动机的使用情况评价：

在模拟温度为37℃的运行环境下，将本实施例上述提供的纳米发动机置于密度约为ρ＝1.05g/cm～1.06g/cm³，流体比重约为ρg＝10⁴N/m³，黏度为3.5cP的模拟混合溶液中。将水溶性纳米复合薄膜包裹的碳酸钠投入纳米发动机内腔中，同时采用无线充电技术为内腔回路充电。在一定时间内常温水溶性薄膜会完全溶解于水中，碳酸钠粉末与浓度为0.15mol/L稀盐酸溶液接触，此时电解回路电流为分解电压1V的恒定电流，同时启动纳米发动机的两个阶段。采用高精度扫描电子显微镜观测该纳米发动机在混合溶液中的运行情况，进行数据记录分析。

纳米发动机的运动可以基本描述为一个加速-匀速-减速的过程。在起始时刻t₀至t₁时刻，此时反应开始，第一阶段产生气泡持续增加，而第二阶段的反应在短暂延迟后开始，由于电解速率较低，产生加速度较小。纳米发动机处于加速阶段，纳米发动机的速度从0持续增大。在t₁时刻观测到纳米发动机的运动速率为V＝1.4mm/s。在t₁-t₂时间段内，纳米发动机速度可描述为匀速运动，该时间段内复合反应与电解反应处于平稳反应阶段，纳米发动机获得较大的动能，运动速率趋于稳定，该段平均速度V＝1.2mm/s。在t₂-t₃时间段内，随着反应过程的持续进行，反应物减少，电解溶液浓度下降，纳米发动机运动速度缓慢持续减小直至停止。运动图像如图4，图4是本发明实施例3提供的纳米发动机运动速度-时间曲线图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。