マイクロモーター

マイクロモーターは、（ミクロン単位で測定される）非常に小さな粒子で、自ら動くことができます。^[1]この用語は、暗黙のサイズの違いにもかかわらず、「ナノモーター」と互換的に使用されることがよくあります。これらのマイクロモーターは、化学溶液に置かれると、実際に特定の方向に自律的に推進します。さまざまなメカニズムで動作するさまざまな種類のマイクロモーターがあります。最も重要な例は、細菌やその他の自走細胞などの生物学的モーターです。合成的には、研究者は酸化還元反応を利用して、化学勾配、局所的な流体の流れ、または気泡の流れを作り出し、それがこれらのマイクロモーターを化学媒体を通じて推進します。^[2]外部（光、^[3]磁気^[4]）と内部（燃料濃度、材料組成、^[5]粒子の非対称性^[6]）の両方のさまざまな刺激を使用して、これらのマイクロモーターの動作を制御できます。

マイクロモーターは、生物体内の生きた細胞に物質を送達できることが実証されているため、医療分野での応用が期待されています。また、特定の化学兵器や生物兵器の分解にも効果があることが実証されています。

ヤヌス粒子マイクロモーターは、金で覆われた二酸化チタン粒子^[7]や、片面に白金層をコーティングしたポリスチレンビーズ^{[8] [9]}など、異なる物理的特性を持つ2つ以上のコンポーネントで構成されており、どちらも半分の間で触媒活性に違いがあります。これらのモーターを過酸化水素などの燃料に入れると、触媒活性に応じて各極で1つの酸化還元半反応が発生します。酸化反応で電子と陽子が生成され、還元反応でこれらが粒子の反対極で反応物として消費されるため、この分子の動きによってモーターの表面全体に流体が生成され、粒子が前進します。ヤヌスモーターの各極間の触媒の違いは、異なる速度で触媒する金属などの材料の特性である可能性があり^[10]、または紫外線^[7]などの外部刺激によって引き起こされる可能性があります。紫外線は、二酸化チタンなどの半導体材料によって吸収され、酸化還元反応のために電子を励起する可能性があります。

触媒活性は、ヤヌス物質を使用して運動を生成する唯一の方法ではありません。2つの異なる界面活性剤オイルの複雑なエマルジョンを使用して、自走式のヤヌス液滴を作成することができます^[11]。2つのオイルが溶解すると表面張力の差により、液滴は自発的に前進します。

しかし、対称性を破るためには必ずしもヤヌス構造が必要というわけではありません。酵素が付着した粒子や脂質小胞の場合、表面上の酵素の不均一な分布によって対称性が破壊される可能性があります。^{[12] [13] [14] [15]}これらの発見は、合成マイクロ/ナノモーターの設計に新たな洞察をもたらします。

マイクロモーターへのナノ粒子の組み込みについては、最近さらに研究され、観察されています。具体的には、ほとんどのマイクロモーターの従来の二酸化チタン外層に金ナノ粒子が導入されています。^[16]これらの金ナノ粒子のサイズは、通常、約 3 nm から 30 nm の範囲で分布しています。^[17]これらの金ナノ粒子は、内部コア (通常はマグネシウムなどの還元剤) の上に積層されているため、マクロガルバニック腐食が強化されています。^{[18]技術的には、これは}カソードとアノードが互いに接触して回路を形成する場所です。回路の結果、カソードは腐食します。この内部コアが枯渇すると、燃料源としての化学環境が減少します。たとえば、海水環境の TiO ₂ /Au/Mg マイクロモーターでは、マグネシウム内部コアが腐食し、水を還元して一連の反応を開始し、燃料源として水素ガスを生成します。還元反応は次のとおりです。^[16]${\displaystyle Mg+2H_{2}O\to Mg(OH)_{2}+H_{2}}$

研究者たちは、マイクロモーターが医療分野で薬剤の投与やその他の精密な小規模介入に利用されることを期待している。^[19]ある研究では、マイクロモーターが生きたマウスの胃層に金粒子を送達できることが示された。^[20]

マイクロモーターは、適切な組成であれば光触媒分解が可能です。 ^{[21] [22]}具体的には、二酸化チタン/金ナノ粒子の外層とマグネシウムの内核を持つマイクロモーターが現在、生物化学兵器(CBWA) に対する分解効果について調査・研究されています。これらの新しい TiO ₂ /Au/Mg マイクロモーターは、推進および分解メカニズムから試薬や有毒な副産物を生成しません。しかし、CBWA に対して非常に効果的であり、特定の CBWA を完全に迅速に分解します。最近、TiO _{2 /Au/Mg マイクロモーターの使用と、炭疽菌などの生物兵器や、}アセチルコリンエステラーゼ阻害剤の一種である有機リン系神経剤などの化学兵器に対する分解効果についての研究が行われています。そのため、これらのマイクロモーターは、医療および環境用途に応用できる可能性があります。

これらの新しいマイクロモーターは、光活性光触媒外層/表面層で構成されており、表面には活性金属ナノ粒子（白金、金、銀など）が付いていることが多い。^[23] UV照射下では、吸着された水が強力な酸化ヒドロキシルラジカルを生成する。また、吸着された分子状O ₂は電子と反応してスーパーオキシドアニオンを生成する。これらのスーパーオキシドアニオンは、過酸化物ラジカル、ヒドロキシルラジカル、ヒドロキシルアニオンの生成も引き起こす。ラジカルとアニオンの結果として、CWAの二酸化炭素と水への変換、別名ミネラル化が観察されている。また、活性金属ナノ粒子は光触媒のフェルミ準位を効果的にシフトさせ、電子電荷の分布を高める。したがって、ラジカルとアニオンの寿命が延び、活性金属ナノ粒子の実装により光触媒効率が大幅に向上した。

金属有機構造体（MOF）は、有機リンカーに配位した金属イオンクラスターで構成される化合物のクラスです。これらの化合物は、1D、2D、3D構造を形成できます。これらは多孔質形態を有し、MOFの形成に使用される金属イオンと有機リンカーに応じて、形状とサイズを調整できます。これらの細孔により、優れた触媒特性が得られるため、環境修復のための汚染物質の触媒分解に重点を置いたMOF研究が注目を集めています。MOFの主な制限は、溶液の底に沈殿する傾向があり、汚染物質と接触しないため有効性が低下することです。そのため、過去数年間、触媒分解用のMOFに重点を置いた研究で、マイクロモーターが実装されることが多くなりました。MOF粒子は半分が金属でコーティングされており、ヤヌスモーター粒子（半分が金属、半分がMOF）を形成します。粒子のモーターとしての側面は拡散を促進し、溶液中でMOFと汚染物質が出会う確率を高め、その結果、分解速度が速まる。これらのMOFベースのマイクロモーターは水の浄化に非常に効果的であることが証明されており、推進に使用された燃料（ほとんどの場合、過酸化水素）が完全に消費された後、溶液の底に沈み、溶液からヤヌスモーター粒子の除去を容易にする。^{[24] [25]}