通过恒定电场传输微米级物体以及获得机械功的制作方法

专利名称：通过恒定电场传输微米级物体以及获得机械功的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过恒定电场传输微米级物体以及获得机械功。
背景技术：
通常，交流电场用于震荡运动和周期运动。在这种情况下，通过电流的产生而导致运动。在微米级中，由于表示流动的惯性力与粘性力之间的大小之比的雷诺数很低，因此被认为很难从机械运动中获取功。非专利文件1描述了在油中恒定电场对直径为几十微米的水滴的作用。微米级范畴通常也认为是低雷诺数范畴，该微米级范畴为本发明的主题。在这个规模的范畴里，众所周知，仅仅在不具有方向性的直线上做周期运动不能获得功。因此，如非专利文件1所描述的，仅仅通过直线往复运动不可能获得功。有鉴于此，需要提供一种技术，该技术在微米级上，在恒定的电场内也能够随意使物体运动，传输物体并且获得机械功。同样，已知非专利文件2到5。这些文件描述了使微小物体做线性运动，但在这些文件中，不能做对于获得功最重要的二维运动并且也没有关于这种想法的描述。在纳米级到微米级，雷诺数非常小，物体的惯性力不起重要的作用，并且环境的粘性力快速地减弱物体的运动。因此，应当提供某些驱动能量用以连续地推动该物体。如上所描述的，微小物体的运动提出了非线性系统和非平衡系统的关键问题。此外，推动和控制包含生物聚合物和细胞等微小物体的能力在应用物理学和生物物理学的研究中、以及微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)禾口微全分析(Micro Total Analysis System, μ TAS)技术中很重要，现已积极开发出大量适宜技术，然而，离实际使用还很远。现有技术文件非专利文件非专利文件1 :Masahiko Hase, Shun N. Watanabe 和 Kenichi Yoshikawa, PHYSICAL REVIEW E 74,046301 2006。非专利文件2 :T. Mochizuki, Y. Mori 和 N. Kaji, AIChE Journal 36，1039(1990)。非专利文件3 :J. Eow，M. Ghadiri 和 A. Sharif，Colloids Surf. A 225,193(2003)。非专利文件4 :Y. Jung，H. Oh 和 I. Kang，J. Colloid Interface Sci. 322， 617(2008)。非专利文件 5 :ff. D. Ristenpart, J. C. Bird, A. Belmonte, F. Dollar 和 H. A. Stone, Nature 461,377(2009)

发明内容
本发明要解决的问题本发明的目的在于提供一种技术，该技术即使在恒定的电场中不产生电流也能随
5意使物体微米级运动并传输该物体，并获得机械功。解决问题的手段经过努力，本发明人发现通过在绝缘流体比如油内安装用于为微米级(在本说明书中，通常指几纳米到1000微米的范围)等的电介质体产生电场的两个电极，使这两个电极的中心轴不在同一直线上而施加电场(比如恒定电场)，可随意三维地传输该电介质体， 从而可获得机械功(图1)。在本发明中，电介质体为任意的电介质物体，比如水滴、聚苯乙烯珠、玻璃珠等等，并且已揭示只要是电介质体，该微米级物体就不依赖于是什么物质。也揭示出周围介质可为任何绝缘流体，而不限于油。本发明还解决了在非专利文件1到5中没有认识到的问题。因此，可以说本发明已经取得了很大的进步，在实施旋转运动上取得了世界首次的成功，该旋转运动是对于获得功最重要的二维运动之一。此外，由于前面所提到的非专利文件1到5完全缺乏获得功的观点，因而从这些文件中不容易想到本发明。换言之，这些文件仅仅在“运动”这一点上进行了描述，但对作为本发明的特征的“获得功”这一点甚至都没暗示，也没有关于在恒定电场内进行高维循环运动的报道。为了从微米级运动中获得功和能量，需要至少二维的循环运动。本发明报道的作为电介质体的微小物体的旋转运动在开发简单有用的用于控制微小物体的策略上可能有用。S卩，本发明的重要性在于除了简单地使得液滴运动外，成功实现了非常重要的循环运动，并且也证明了利用本发明中的循环运动可获得功。本发明涉及一种稳定直流电场内油相的微小水滴的旋转运动。在正电极和负电极适当几何排列下，液滴进行旋转运动。在本发明中，超过特定的临界电位时发生旋转运动， 其频率随着电位的增加而增加。本发明提供了描述发生旋转运动的简单理论模型，以及用于实现微旋转电机的本发明的系统应用实例。因此，本发明提供下述(1) 一种传输电介质体或获得机械功的方法，包括下列步骤A)设置用于产生电场的两个电极，使得所述两个电极的中心轴不在同一直线上， 并且在绝缘流体内给所述电介质体施加电场。(2)如上面所描述的方法，其中所述电介质体为微米级，并且微米级的范围为几纳米到1000微米。(3)如上面所描述的方法，其中所述微米级的范围为1微米到100微米。(4)如上面所描述的方法，其中所述电介质体指施加静电场时发生电介质极化但不生成电流的物质，并且是具有静电极化率的物质。(5)如上面所描述的方法，其中所述电介质体选自水滴，聚合体物质比如聚苯乙烯珠、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)或者聚丙烯酰胺凝胶，以及玻璃珠构成的组。(6)如上面所描述的方法，其中所述水滴使用表面活性剂生成。(7)如上面所描述的方法，其中所述表面活性剂使用二油酰磷脂酰胆碱(Dioleoyl Phosphatidylcholine，D0PC)、二油酰磷脂酰乙醇胺 (Dioleoyl Phosphatidylethanolamine, DOPE)、 二油酰磷脂酰丝氨酸(Dioleoyl Phosphatidylserine, D0PS)、磷脂酸甘油酯(Egg PC)、十八烷基三甲基氯化铵(Stearyl Trimethyl Ammonium Chloride，STAC)、十八烷基三甲基溴化铵(Stearyl TrimethylAmmonium Bromide, STAB)、十二烷基硫酸钠(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS)、十二烷基三甲基氯化铵、戊乙二醇十二烷基醚等等生成。这里，表面活性剂是一个分子中具有亲水基和疏水基的物质，并且能够在疏水的油液中形成水滴，该物质存在于油与水之间的界面处。(8)如上面所描述的方法，其中所述绝缘流体是非挥发性、不具有导电性以及在常温常压下流动的物质，并且其相对于所述微米级电介质体的比重在+/-50 %以内。(9)如上面所描述的方法，其中所述绝缘流体选自矿物油、液体石蜡、链烷和硅酮油构成的组。(10)如上面所描述的方法，其中所述电场为恒定电场。(11)如上面所描述的方法，其中所述电场的范围为IV到1000V。(12)如上面所描述的方法，其中用于产生所述电场的阳极和阴极设置为它们的中心轴彼此不平行。由于电极的中心轴处于同一直线上的方式不能获得循环运动，因此不对称设置很重要。进一步地，不平行设置比平行设置更可获得循环运动。(13)如上面所描述的方法，其中所述电极为具有锋利尖端的棱锥形或圆锥形，或者为棱柱或圆柱形，并且其材料具有导电性。(14)如上面所描述的方法，其中所述电极为导电物质，比如钨、碳化钨、金、钼、银、 铜、铁或铝等。(15)如上面所描述的方法，其中通过具有阳极和阴极至少两个电极的电极组产生所述电场，并且该具有至少两个电极的电极组的方向为至少两个电极彼此处于不同的方向，该方法进一步包括通过控制所述电场以及用于产生所述电场的电极的空间设置来改变运动的路线或模式的步骤。(16)如上面所描述的方法，其中所述控制的实现是通过使用能够对三维的每个坐标在1微米单位上进行操作的微操作器来操作每个坐标，通过手或镊子操作，将电极转换到需要的位置以实现所述控制。(17)如上面所描述的方法，进一步包括通过空间控制所述电极以及控制施加电压的强度来间接控制所述电介质体以传输所述电介质体的步骤。(18)如上面所描述的方法，其中在所述电介质体可运动的空间内进一步设置微型涡轮机，微型涡轮机随电介质体运动而运动从而获得功，该微型涡轮机具有旋转轴和刀片部分，该刀片绕该旋转轴旋转。这里，该微型涡轮机可通过微制作技术制造，例如，该微型涡轮机为尺寸在1微米到100微米的物体，包括旋转轴和和刀片部分，该刀片可围绕该旋转轴旋转。比如，包括具有加工成微米级二氧化硅层的水轮(比如用于Y. Hiratsuka,M. Miyata, T. Tada, T. Q. Uyeda, Proc. Natl Acad. Sci. USA 103，13618-13623 (2006)等等上的那些)。(19)如上面所描述的方法，其中所述电介质体为两个以上，并且使所述两个以上的电介质体集体运动而起到电机的作用。(20)对于聚合物的机械控制、药物的液滴传输、化学反应、药物的制备、生物样品的非接触传输以及微通道，给出了下列描述。聚合物的机械控制建立了使DNA等聚合物的两端分别与分离的聚合物小珠结合的技术。由于使用本研究的成果可随意控制附着在聚合物两端的聚合物小珠，因此可机械地控制该聚合物。药物的液滴传输由于可如上所述生成水滴，通过将药物放入水滴可容易地进行传输。化学反应通过使传输中的液滴彼此碰撞而使其融合，在液滴中开始化学反应。药物的制备类似于化学反应，通过使传输中的液滴彼此碰撞而使其融合，进行混合等等。那些不希望混合的液滴可在开始反应前在单独液滴中制备，并且这些液滴可在希望混合的地方混合。此外，这可以在很小的微米级空间实现。生物样品的非接触传输本技术也可应用于作为一种电介质体的细胞或生物聚合物上。微通道的结合类似于前面提到的微型涡轮机。其为微技术的一部分。与半导体技术的结合意味着使用半导体装置和电路基板来控制电场，而非直接控制运动。 本发明也提供了关于装置的下列发明。(21) 一种传输电介质体的装置，包括A)用于接收电介质体的绝缘流体；以及B)存在于绝缘流体中、用于施加包括两个电极的电场的设备，这两个电极设置为它们的中心轴不在同一直线上。这里，用于施加电场的设备可为在绝缘流体中的配置有电极并可施加电压的任何
直ο(22) 一种用于获得机械功的装置，包括A)绝缘流体；B)设置在绝缘流体内的电介质体；C)存在于绝缘流体中、用于施加包括两个电极的电场的设备，这两个电极设置为它们的中心轴不在同一直线上；以及D)用于从电介质体中获得机械功的设备。作为用于从电介质体中获得机械功的设备或者用于将电介质体的运动转化为功的设备，可使尺寸大约为1微米到几千微米的螺旋桨状的物质如水轮般转动从而作为涡轮机获得功，或使磁化物质粘附到电介质体上以间接控制电场，通过在相邻位置设置涡轮机
可获得功。在进一步的实施例中，本发明也提供了关于装置的下列发明。(23)如上面所描述的装置，其中所述电介质体为微米级，并且微米级的范围为几纳米到1000微米。(24)如上面所描述的装置，其中所述微米级的范围为1微米到100微米。(25)如上面所描述的装置，其中所述电介质体指施加静电场时发生电介质极化但不生成电流的物质，并且是具有静电极化率的物质。(26)如上面所描述的装置，其中所述电介质体为水滴，聚合体物质比如聚苯乙烯珠、聚二甲基硅氧烷(PolydimethylsiloxanhPDMS)或者聚丙烯酰胺凝胶，以及玻璃珠等。(27)如上面所描述的装置，其中所述水滴使用表面活性剂生成。(28)如上面所描述的方法，其中所述表面活性剂使用二油酰磷脂酰胆碱(DOPC)、 二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)、二油酰磷脂酰丝氨酸(D0PQ、磷脂酸甘油酯(Egg PC)、十八烷基三甲基氯化铵(STAC)、十八烷基三甲基溴化铵(STAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基三甲氯化铵、戊乙二醇十二烷基醚等等生成。(29)如上面所描述的装置，其中所述绝缘流体是非挥发性、不具有导电性以及在常温常压下为流动的物质，并且其相对于所述微米级电介质体的比重为+/-50%以内。(30)如上面所描述的装置，其中所述绝缘流体选自矿物油、液体石蜡、链烷和硅酮油构成的组。(31)如上面所描述的装置，其中所述电场为恒定电场。(32)如上面所描述的装置，其中所述电场的范围为IV到1000V。(33)如上面所描述的装置，其中用于产生所述电场的阳极和阴极不对称地设置为它们的中心轴彼此不平行。(34)如上面所描述的装置，其中所述电极为具有锋利尖端的棱锥形或圆锥形，或者为棱柱或圆柱形，并且其材料具有导电性。(35)如上面所描述的装置，其中所述电极为选自钨、碳化钨、金、钼、银、铜、铁和铝构成的组的导电物质。(36)如上面所描述的装置，其中用于施加电场的所述设备为具有阳极和阴极至少两个电极的电极组，并且该具有至少两个电极的电极组的方向为至少两个电极彼此处于不同的方向。(37)如上面所描述的装置，进一步包括能够对三维的每个坐标在1微米单位上进行操作的微操作器，该微操作器操作每个坐标以将电极转换到需要的位置，或者进一步包括镊子。(38)如上面所描述的装置，进一步包括通过空间控制所述电极以及控制施加电压的强度来间接控制电介质体以传输所述电介质体的设备。(39)如上面所描述的装置，进一步包括微型涡轮机。这种微型涡轮机包括具有加工成微米级二氧化硅层的水轮(比如用于Y. Hiratsuka, M. Miyata, T. Tada, T. Q. Uyeda, Proc. Natl Acad. Sci. USA 103,13618-13623(2006)等等上的那些)。(40)如上面所描述的装置，其中所述电介质体为两个以上，并且使两个以上的该电介质体集体运动而起到电机的作用。(41)如上面所描述的装置，用于聚合物的机械控制、药物的液滴传输、化学反应、 药物的制备、生物样品的非接触传输、或者微通道。对上面所描述的每个方面，可以理解的是本说明书描述的每个实施例只要可以应用，就可用于其他方面。发明效果综上所述，通过施加恒定的电场，本发明成功使得微米级电介质体产生机械运动。 因此，本发明提供了旋转电机似的运动，并且获得了产生振荡性和周期性运动的能力，这在交流电场中是不可能的。同样，本发明实现了通过电场强度和电极的空间设置可随意改变运动路线和运动模式，而非通过电流运动，因为没有电流。此外，不需要在恒定电场接触就可以获得电机似的运动，这一点非常重要，并且已揭示出以非接触的方式可传输物体。尤其是，如图3所示，当电极设置在同一直线上时只可获得简单的周期运动(非专利文件1)，然而，如图3的中心图和右边图所示，当电极设置为不在同一直线上时，实现在作用于电介质体的力中，利用作用在带电体上的力(见图4(i))和电介质力之间的电介质力(见图4(ii))的状态，因此能够获得循环运动。传统技术不能预见这种状态是否可以实现，这种状态在教科书中也不明显，因此可以说是新的技术。从非专利文件1等等中描述的方案本身，不容易想到这一点，可以说本发明的一个重要的作用在于，本发明通过使两个电极的中心轴设置为不在同一直线上，首先实现了作为不可预见现象的循环运动。最后，虽然通常很难从雷诺数很低的微米级的机械运动中获得功，本发明在使其成为可能上发挥了重要的作用。


出现在多个图中的同样的附图标记表示同样的元件。图1为微米级物体传输的概念图；图1A为阴极和阳极实质设置为不在同一直线上的示意图，示出了本发明中的用于产生电场的阴极和阳极设置为不在同一直线上是有利的；图1B为说明中心轴不平行的情况的图，显示出比在平行的情况下更能获得循环运动；图1C为实验设置的侧视图。包含水滴的矿物油设置在载玻片上，并且矿物油中插入电极。通过使用显微镜，从上面观察实验。V是施加在电极之间的恒定电压。X-Z坐标是垂直平面。0(原点)是负电极的顶点。图ic(b)是基于实验设置的图(显微镜图像)。 X-Y坐标是水平平面。这里，在图ic(a)和图lC(b)中，100表示水滴，102表示矿物油，104 表示负电极，106表示载玻片，108表示恒定电压，110表示正电极，以及112表示显微镜的物
^Ml O数学公式1χ = (x, y)是水滴的中心，(1，d)是正电极的顶点；图2显示了实验设置(左边)和循环运动的水滴的连续快照进行重叠的合成照片(右边)。电极由钨做成；表面活性剂磷脂DOPC ；图2A到图2A(d)显示了油包水(w/o)微液滴的旋转运动。满足1= d = 100 微米。液滴的尺寸为r = 17. 1微米。左边的图显示了叠置的液滴快照。中心的图列显示了液滴随时间的变化，由x(实线)和Y(虚线)表示。右边的图显示了傅里叶变换的频谱， 由x(实线)和y (虚线)表示。在图2A(a)中，V = 20V，显示了每2秒的快照。在图2A(b) 中，V = 60V，显示了每0.4秒的快照。在图2A(c)中，V= 120V，显示了每0.2秒的快照。 在图2A(d)中，V= 160V，显示了每0.2秒的快照。图2A(e)显示了数值模拟。左边的图显示了液滴的轨迹。中间的图显示了随时间变化的数据。右边的图显示了傅里叶变换的频谱。这里，在图2A(a)到(e)中，221表示起始点。210表示微滴，212和215表示电极。用于图2A(e)模拟中的恒定电场和数字参数在实例中描述；图3显示了重叠的快照(另一个实验实例)。在该图中，编号(a)到(C)显示了电极的各种设置。这里，(a)电极设置(左边)在平行方向上距离中心轴120微米；在垂直方向为0微米；(b)电极设置(中间)在平行方向上距离中心轴120微米；在垂直方向为 40微米；(c)电极设置(右边)在平行方向上距离中心轴120微米；在垂直方向为120微
10CN 102395424 A

图4显示了物理模块和模拟的结果。左边描述了解释本发明的运动方程，右边显示了其计算结果。即，图4左边(I)指粘性很强时的运动方程(过阻尼系统)。至于运动方程的右边，(i)右边的第一项表示作用在带电体上的力，其中，显示了带电电介质体与电极吸引或排斥；以及(ii)右边的第二项表示作用在电介质体上的力，其中显示了将电介质体吸引到电力线密度较高的一边。图4左边(II)指关于电荷充电和放电的方程，表示了电极接触的情况以及电极彼此不接触的情况。电极彼此接触时，电荷充电，而当电极彼此不接触时，则放电。图4中右上方的图显示了模拟的结果。由于图4左边(I)显示的(i)和 ( )的力方向彼此不同，因此力的平衡决定运动方向。即，根据该平衡而发生旋转运动；图5是具体解释模拟结果的示意图。该图中，编号⑴到(5)分别显示了，⑴ 从正电极向电介质体充电荷；(2)阳极和带正电的电介质体通过静电排斥力彼此排斥，并且正电荷逐渐泄漏；(3)静电吸引力作用，吸引到电极的阴极并接触；(4)从阴极向电介质体充电荷；( 在负电极和负电荷电介质体之间产生静电排斥力，并且电荷逐渐泄漏；图5A在图5A，图5A(a)到图5A(f)是表示旋转运动的频率对施加的电压的依赖性。在图5A(a)中，r= 14.0微米(r表示微滴的直径)，在图5A(b)中，r= 17. 1微米，在图5A(c)中，r = 18.8微米，在图5六((1)中，r = 19. 5微米，在图5A(e)中，r = 31. 8微米， 以及在图5A(f)中，r = 34. 6微米。区域(I)到(III)对应图5A(g)中的相位图的运动模式。5A(g)显示了依赖于施加电压的液滴运动。这里，在5A(g)中，Gl表示(模式I)非旋转运动，G2表示(模式II)旋转运动，以及G3表示(模式III)伴随有电极束缚的旋转运动；图6为显示随意传输和获取功的示意图。在该图中，编号(a)和(b)分别显示 (a)随意传输；和(b)获取功。至于各附图标记，600表示微米级电介质体，610表示微型涡轮机，602、604、606、608、612 和 614 表示电极；图7为通过微米级电介质体集体运动对电机和聚合物进行机械控制的示意图。 在该图中，编号(a)和(b)分别显示(a)通过微米级电介质体集体运动对电机；和(b)聚合物进行机械控制。至于各附图标记，700表示微米级电介质体，710表示聚合物，702、704、 712、714、716和718表示电极；图8为药物或化学药品等的液滴传输、液滴融合后的化学反应、药物或化学药品的制备、生物样品比如细胞的非接触传输的示意图。在该图中，编号(a)到(c)分别显示(a) 药物或化学药品等的液滴传输、液滴融合后的化学反应、药物或化学药品的制备；和(b)生物样品比如细胞的非接触传输。由于细胞因接触受到破坏，因此“非接触”这一点非常重要。避免了液体浪费，实现了低成本，实现了也具有微全分析系统(Micro Total Analysis System, μ TAS)性质的传输。至于各附图标记，800表示液滴，810表示生物样品，802、804、 806、808、812、814、816 和 818 表示电极；以及图9为微通道示意图。电介质体引入到圆形通道。通过与微通道结合获得更大的旋转运动。至于各附图标记，900表示圆形通道，902和904表示电极。
具体实施例方式下面描述本发明。在整个说明书中，应当理解，除非另外标注，否则单数形式的表达包括了复数形式的概念。因此，应当理解，除非另外标注，否则用于单数形式的冠词(比如英语中的“a”，“an”，“the”等等)包含复数形式的概念。进一步地，应当理解，除非另外标注，否则用于本说明书的术语表示通常使用于该技术领域内的意义。因此，除非另外标注，否则本说明书中所有的技术术语和科技术语具有相同与本发明所属的技术领域的技术人员通常理解的一样。在矛盾的情况下，以本说明书(包括定义)优先。(术语定义)在本说明书中，“电介质体”指不具有在电导中起作用的自由电子，并在施加电场时发生电极化的物质。通常，电介质体指在应用静电场时发生电介质极化但不生成电流的物质，该电介质体具有静电极化率。该电介质体包括，比如水滴、聚合体物质(比如聚苯乙烯珠、聚二甲基硅氧烷(PolydimethylsiloxanhPDMQ或者聚丙烯酰胺凝胶)以及玻璃珠。在本说明书中，“传输”的意思与本技术领域中通常使用的意思一样，指使目标物体运动。在本说明书中，“机械功”也称为“功”，是指当在物体运动方向上具有分量的力施加于该物体上并且该物体运动时发生的能量转移，相当于在运动的整个过程中力的一次积分。在本说明书中，“绝缘流体”指不导电的流动物质。优选地，是不挥发、不导电、在常温常压下流动的液体和气体，并且其相对于微米级电介质体的比重最好为大概+/-50%以内。比如，作为绝缘流体，可使用矿物油、液体石蜡、链烷和硅酮油。优选地，绝缘流体提供在容器内。该绝缘流体可为非电解质。在传统技术中，与微米级物体的情况一样，很难在高粘度下实现电机。本发明成功地实现了电机。本发明的特征在于即使在高粘度下也能获得电机。当然，应当理解，本发明在低粘度的情况下也可以实践。在本说明书中，“电场”具有本技术领域通常使用的意义，也指导致电体吸引或排斥其他带电体的自然界的基本场，也称为场。通常，电场由两个以上电极(阴极和阳极)产生。在本说明书中，“恒定电场”指具有恒定值的电场。比如，可为范围在IV到1000V 的电场，但不限于此。本发明提供的优于传统技术的优势在于，即使在恒定的电场也可获得机械运动，比如周期运动或旋转运动。在本说明书中，通常由阳极和阴极组成的组产生电场。电极优选地为具有锋利尖端的棱锥型或圆锥形，或者棱柱或圆柱形，并且由导电性的材料实现。电极包括导电物质， 比如钨、碳化钨、金、钼、银、铜、铁和铝。比如通过具有阳极和阴极至少两个电极的电极组产生电场，并且该具有至少两个电极的电极组的方向为至少两个电极彼此处于不同的方向， 通过控制电场以及用于产生电场的电极的空间设置可改变运动的路线或模式。这里，通过使用能够对三维的每个坐标在1微米单位上进行操作的微操作器，并通过操作必要的设备，比如手指夹具，操作每个坐标将电极转换到需要的位置，比如通过手或镊子操作，以实现该控制。在本说明书中，“微米级”范围通常在几纳米到大约1000微米，并且在某种情况下， 范围在亚微米(0. 1微米)到1000微米，其中，尤其优选1微米到100微米，在该范围内可有效使用本技术，但是范围不限于此。这里，术语几纳米意思是至少1纳米，应当理解大约亚纳米到1纳米的分子组合的尺寸是几纳米，并且通常大概为2到3纳米或者更大，但不限于此。由大概亚纳米到1纳米的分子组合形成的几纳米的电介质体可作为实现的下限。另一方面，不希望受缚于理论，使用至少1000微米作为上限，因为本领域的技术人员意识到本发明的原理至少可应用在微米的范围内，即高达1000微米的范围内。在更大的毫米范围内，支配这种现象的方程(原理)可不同，然而，不排除应用本发明，应当理解只要本发明的原理适用，即使是大于1000微米的尺寸，也可实践本发明。在该说明书中，“表面活性剂”是分子中具有亲水基和疏水基的物质，该物质能够在疏水油液体中形成水滴。在这种情况下，该表面活性剂通常存在于油与水之间的界面。 表面活性剂的实例包括，但不限于，烷基硫酸盐(比如十二烷基硫酸钠(Sodium Dodecyl Sulfate, SDQ )、烷基三甲基胺盐(比如十八烷基三甲基氯化铵(Stearyl Trimethyl Ammonium Chloride, STAC))、十二烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵(Stearyl Trimethyl Ammonium Bromide, STAB))、聚氧乙烯烷基醚(比如戊乙二醇十二烷基醚)、 酰基磷脂酰胆碱(比如二油酰磷脂酰胆碱(Dioleoyl Phosphatidylcholine, DOPC)), 二棕榈酰磷脂酰胆碱(Dipalmitoyl Phosphatidylcholine, DPPC)、酰基磷脂酰乙醇胺 (比如二油酰磷脂酰乙醇胺(Dioleoyl Phosphatidylethanolamine，DOPE))、二棕榈酰磷脂酰乙醇胺(Dipalmitoyl Phosphatidyl Ethanolamine，DPPE))、酰基磷脂酰丝氨酸 (比如二油酰磷脂酰丝氨酸(Dioleoyl phosphatidylserine, D0PS)、二棕榈酰磷脂酰丝氨酸(Dipalmitoyl phosphatidylserine, DPPS))、酰基磷脂酰甘油(比如二油酰磷脂酰甘油(Dioleoyl phosphatidylglycerol，D0PG)、二棕榈酰磷脂酰甘油(Dipalmitoyl Phosphatidyl Glycerol, DPPG))以及磷脂酸甘油酯(Egg PG)。比如，可使用其他的物质， 比如，对于酰基，通常使用具有四个后缀PC/PE/PS/PG的酰基，然而，这种物质包括大量具有前缀D0/DP/DS/...等等的物质，这些物质也可用于本发明中。在本说明书中，“微型涡轮机”是，比如可由微制造技术制造的尺寸为例如1微米到 100微米的物体，包括旋转轴和刀片部分，该刀片可围绕旋转轴旋转。比如，这包括具有加工成微米级的二氧化硅层的水轮(比如用于Y. Hiratsuka, M. Miyata, T. Tada, T. Q. Uyeda, Proc. Natl Acad. Sci. USA 103,13618-13623(2006)等等上的那些)。使用该微型涡轮机， 所述电介质体可设置在其能够运动的空间，并且从随着电介质体运动而运动的微型涡轮机中可获得功。这里，该微型涡轮机具有旋转轴和刀片部分，该刀片优选地可旋转。在本发明的一个实施例中，电介质体为两个以上，并且通过使两个以上电介质体集体运动，可起到电机的作用。(描述优选实施例)下面将描述本发明的优选实施例，应当理解本发明不限于这些优选实施例，并且本领域的技术人员在该说明书整个描述的基础上可适当地修改本发明。(产生循环运动的方法及其应用)一方面，本发明提供传输电介质体或获得机械功的方法，包括步骤A)安装两个用于产生电场的电极，使得所述两个电极的中心轴不在同一直线上，并且在绝缘流体内给所述电介质体施加电场。本发明的意义在于实现很重要的循环运动而并非只是简单使液滴运动，并且其突出之处在于以两个电极的中心轴不设置在同一直线上为特征可实现循环运动，这在传统技
13术(比如非专利文件1)所描述的技术中不能轻易地看到。本发明还证明了利用本发明中的循环运动可获得功。因此，由于在电极中心轴在同一直线上的高对称情形下不能获得循环运动，因此最好设置电极使得其中心轴不在同一直线上并优选地设置为彼此不平行。在本说明书中，“两个电极的中心轴不在同一直线上”的表述涉及到产生电场的两个电极的设置，并且意味着这些电极的中心轴不设置在一条直线上。这里，“电极的中心轴” 使用本技术领域通常使用的意思，指如上所述的以锋锐电极形状在最大长度方向平行的中心线。优选地，最好将中心轴设置为彼此不平行。现已发现仅仅通过给微米级电介质体施加恒定的电场就可随意地以三维的方式传输电介质体，从而可获得机械功(图1)。在本发明中，揭示了电介质体是任意的电介质物体，比如水滴、聚苯乙烯珠和玻璃珠，但如果微米级物体是电介质体，就不依赖于物质或形状。本发明还揭示了周围介质可为任何绝缘流体，而不限于油。最后，虽然通常很难从雷诺数很低的微米级机械运动中获得功，本发明明显能使其成为可能。通过施加恒定的电场，本发明成功地使微米级电介质体产生了机械运动。因此，本发明提供了旋转电机型运动，并实现了在非交流电场产生振动性和周期性运动。同样，本发明中由于没有产生电流，因此不存在通过电流发生的运动，而通过电场强度和电极的空间设置，可随意改变运动路线和运动模式。此外，重要的是，其优势在于可在没有接触点以及在恒定电场的情况下获得电机型运动，从而以非接触方式传输物体以及对微型电机的应用，这在通常是不可能的。在传统技术中，如图3所示，当电极设置为在同一直线上时，只可获得简单的周期运动(非专利文件1)。然而，如本发明所公开的，如图3中的中间图和右边图所示当电极设置为不在同一直线上时，实现在作用于电介质体的力中，利用作用在带电体上的力(见图 4(i))和作用在电介质体上的力(见图4(ii))的状态，因而能够获得循环运动。传统技术不能预见这种状态是否可以实现，这种状态在教科书中也不明显，因此可以说是新的技术。 进一步地，本发明的关键在于通过“电极设置为不在同一直线上”这一手段来实现在空间关系上与非专利文件1中的一维运动完全不相同的二维或者多维运动。另一方面，应理解的是，本发明不限于实例中所指的实施例。即，本发明的现象在物理法则的范畴内，可由最基本的通用支配原理比如运动方程结合电磁原理来自然地解释。S卩，基于本说明书的描述，对于其他实施例，使用本领域的知识，比如物理原理，可预见本发明中说明的现象，并且该设计可变化。即，可不进行实验而由计算决定必须改变什么条件以及如何改变该条件来生成需要的运动。因此，理论解释的成功意味着用于研发模拟器的基础的建立。本发明中公开的技术提供了应用该技术非常有用的方法。特定现象的理论框架的建立不证明该现象是普遍的。理论框架的建立是在前应用的手段。从普通的物理理论教科书中不能预见本发明。这是因为在普通的教科书中，“作用在带电体上的力”通常不应用在电介质体上。即，该力通常处理成只有作为“作用在电介质体上的力”的力才作用在电介质体上。此外，在众所周知的称为介电泳的技术中，通过，作用在电介质体上的力用于“水或者油等液体”中施加“周期电子场(非恒定电场)”中而应用。 因此，可以说在本发明中，在普通的物理理论教科书和其他论文上不容易预见“作用在带电体上的力和作用在电介质体上的力的融合”以及“在恒定电场获得循环运动”。本发明自身提出的理论是一个新发现，并且本发明的突出之处在于发现了循环运动现象，并实现了传输和获得功，并且成功地基于物理基本法则解释了本发明中发现的运动是可能的。即，本发明值得注意的是，不仅在作为示范示出的实施例中，而且基于本发明显示的理论而设计的任意实施例均可以实践本发明。换言之，要注意的是，不容易从现有的教科书所描述的内容中推导出本发明的理论，并且本发明的过程也没有简单到利用现有的教科书所描述的内容进行实验就能得到期望的结果。用于本发明的绝缘流体可为任何不导电的流动物质，优选不挥发、不导电、常温常压下流动的液体和气体，并且其相对于微米级电介质体的比重最好为+/-50%以内。比如， 作为绝缘流体，可使用矿物油、液体石蜡、链烷和硅酮油。优选地，绝缘流体提供在容器内。 只要适用于绝缘流体，任何容器均可使用。在传统技术中，与微米级物体的情况一样，很难在高粘度下实现电机。本发明成功地实现了电机。本发明技术的特征还在于即使在高粘度下也能获得电机。当然，应当理解， 本发明在低粘度的情况下也可以实践。如图4中显示的物理模式和模拟结果描述所指示的那样，可理解的是，粘度的强度是不相关的。在本发明中，提供的优于传统技术的优势在于即使在恒定的电场也可获得机械运动，比如周期运动或旋转运动。在一个实施例中，用于本发明的电介质体优选地为微米级。作为电介质体的尺寸， 长度、宽度和高度中的任意一种通常均可测量，并且可使用最适合该模拟的那部分的尺寸。 通常，微米级指微米领域和小于微米的范围，通常范围在几纳米到大概1000微米，在某种情况下，范围在亚微米(0. 1微米)到1000微米，其中，在1微米到100微米范围内，使用本技术尤其有效，但是范围不限于此。在一个实施例中，范围在1微米到100微米，在另一个实施例中，范围在5微米到50微米，10微米到100微米，1微米到10微米等等，但不限于此。其中，可以为1微米到100微米，在该范围内可特别有效地使用本技术，但是范围不限于此。这里，术语几纳米意思是至少1纳米，应当理解可应用大约亚纳米到1纳米的分子组合的尺寸，并且通常大概为2到3纳米或者更大，但不限于此。由大概亚纳米到1纳米的分子组合形成的几纳米的电介质体可作为实现的下限。另一方面，不希望受缚于理论，使用至少 1000微米作为上限，因为本领域的技术人员意识到本发明的原理至少可应用在微米的范围内，即高达1000微米的范围内。在更大的毫米范围内，支配这种现象的方程(原理)可不同，然而，不排除应用本发明，应当理解只要本发明的原理适用，即使是大于1000微米的尺寸，也可实践本发明。在另一个实施例中，用于本发明的电介质体指在施加静电场时发生电介质极化但不生成电流的物质，以及可具有静电极化率的物质，任何这样的物质均可使用。用于本发明的电介质体包括，比如水滴、聚合体物质(比如聚苯乙烯珠、聚二甲基硅氧烷 (Polydimethylsiloxane, PDMS)、聚丙烯酰胺凝胶、其他塑料等等)以及玻璃珠。使用作为一个实施例的水滴时，优选地，该水滴使用表面活性剂生成。作为表面活性剂，可使用任何在分子中具有亲水基和疏水基并且能够在疏水油液体中形成水滴的可用于此目的的物质。在这种情况下，该表面活性剂通常存在于油与水之间的界面处。作为可用于本发明的表面活性剂，包括烷基硫酸盐(比如十二烷基硫酸钠(SDQ)、烷基三甲基胺盐(比如十八烷基三甲基氯化铵(STAC)、十二烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵(STAB))、聚氧乙烯烷基醚(比如戊乙二醇十二烷基醚)、酰基磷脂酰胆碱(比如二油酰磷脂酰胆碱(DOPC)、二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC))、酰基磷脂酰乙醇胺(比如二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)、二棕榈酰磷脂酰乙醇胺(DPPE))、酰基磷脂酰丝氨酸(比如二油酰磷脂酰丝氨酸(D0PQ、二棕榈酰磷脂酰丝氨酸(DPPQ)、酰基磷脂酰甘油(比如二油酰磷脂酰甘油 (DOPG)、二棕榈酰磷脂酰甘油(DPPG))以及磷脂酸甘油酯(Egg PG)。在优选的实施例中，用于本发明的绝缘流体为非挥发性、非导电性以及流动的物质。该绝缘流体优选为不挥发的原因在于适用于电介质体的长期传输和运动，并且不会由于液体蒸发的对流而阻碍电介质体的传输和运动。优选地，这种非挥发性的程度最好为常温常压下每天低于0. 甚至更少的挥发量。本发明的绝缘流体优选为不导电的原因在于可确保作用在电介质体上的电场的强度，并且提高了电介质体的电荷带电效率。进一步地，本发明的绝缘流体相对于本发明中使用的电介质体的比重优选为 +/-50 %以内。原因在于，如果电介质体传输和运动过程中的比重差距过大，就不可能顺利地传输和运动。可用于本发明的绝缘流体包括矿物油、液体石蜡、链烷和硅酮油等等。优选地，用于本发明的电场为恒定的电场。本发明的突出之处在于即使是恒定的电场也能同样地利用，实现能够传输和获取功的动态运动，比如周期运动和旋转运动。在优选的实施例中，用于本发明的电场的范围在IV到1000V，优选地为5V到50V， 50V到500V或者IOV到100V，然而，可理解的是，适宜的使用范围取决于正在使用的电介质体和电极设置。在一个实施例中，产生本发明中使用的电场的阳极和阴极最好设置为它们的中心轴不在同一直线上。参照图IA描述这一点。即，比如，作为参考标准，当电极中心轴之间的偏移(D)等于或大于电极直径(R)并为电极顶端之间的宽度(L)的5倍范围之内时，可更有效地获得循环运动。即，在图IA中满足要求R< D <5L，可实现有效获取。进一步地， 如图IB所示，当中心轴彼此不平行时，相当容易获得循环运动，并且下限的要求可放松到0 < D < 5L。在任何情况下，不限于这些要求，可根据电极的形状、施加的电压等等扩展该范围。在另一个实施例中，用于本发明的电极为具有锋利尖端的棱锥型或圆锥形，或者棱柱或圆柱形，并且由导电性的材料形成。在为棱锥型或圆锥形的情况下，尖端的角度最好为45度或者更小，在为棱柱或圆柱形的情况下，尖端的直径最好为100微米或更小。在一个实施例中，用于本发明的电极由导电物质形成，比如钨、碳化钨、金、钼、银、 铜、铁、铝或者不锈钢。在一个优选的实施例中，通过具有阳极和阴极至少两个电极的电极组产生本发明的电场，并且该具有至少两个电极的电极组定向成该至少两个电极彼此处于不同的方向 (比如，通过设置在两个不同方向的电极组来控制运动)，通过控制电场以及用于产生电场的电极的空间设置，可改变运动的路线或模式。为了改变路线或模式，可应用下面的理论。数学公式2
0153]
0154]
0155]
0156]
0157]
0158]
0159]
0160] 0161]
0162]
0163]
0164]
0165]
0166]
0167]
0168]
0169]
0171]
0172]
0173]
0174]
0175]
0176]
0177]
0178]
0179]
0180] 0181] 0182]
此公式中，数学公式3
ι
表示电介质体的位置矢量，为数学公式4
χ 二 ( χ . τ.. . X I
表示，(X1, X2和X3是各个坐标的值)。 q表示在电介质体上所带的电荷量，数学公式5
/;
表示电场矢量，
α表示电极化率，指电场中电介质体的极化度。数学公式6
\’
表示按位置进行偏微分的运算符，该运算符由数学公式7
0170] 表示。该公式中，数学公式8:
表示对数学公式9
Xi
进行偏微分。
E表示电场值，并且与电场矢量
数学公式10]
？
的绝对值同义。 t表示时间。
k表示电介质体受到液体的粘滞阻力,
这里，作用在带电体上的力和带电电介质体吸引或排斥电极的力由右边的第一项 ⑴数学公式11c//T表示。由此，作用在电介质体上的力从电力线密度低的一边指向电力线密度高的一边， 因此，电介质体朝着电力线密度高的方向被吸引过去，这由右边第二项(ii)数学公式I2表示。当电极和电介质体彼此接触时，电介质体充电荷。电介质体一离开电极，电介质体就带电，使得电介质体受到作用在带电体上的力，并且上面的数学公式11的项成为主导。然而，电介质体离开电极后，电荷逐渐泄漏而所带的电荷量减少时，电介质体受到作用在带电体上的力的可能性变小，这样由上面的数学公式12的项表示的力的影响成为主导。由于力⑴和(ii)的方向彼此不同，运动的方向可由其平衡决定。即，通过根据平衡可生成旋转运动。下面显示通过确定参数而计算出的具体结果。如下所示，可理解的是，通过使用上面的运动方程可模拟本发明。
运动方程和关于电荷充电和放电的方程分别由下面表示数学公式13
为了易于处理，根据下面的定义进行标准化数学公式14
τ = t/T
ζ = q/Q
18
权利要求
1.一种传输电介质体或获得机械功的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤A)设置用于产生电场的两个电极，使得该两个电极的中心轴不在同一直线上，并且在绝缘流体内向该电介质体施加电场。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电介质体为微米级，并且该微米级的范围为几纳米到1000微米。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述微米级的范围为1微米到100微米。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电介质体为施加静电场时发生电介质极化但不产生电流的物质，并且是具有静电极化率的物质。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电介质体选自水滴、聚合体物质以及玻璃珠构成的组。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述水滴使用表面活性剂生成。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述表面活性剂使用二油酰磷脂酰胆碱 (DOPC)、二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)、二油酰磷脂酰丝氨酸(D0PQ、磷脂酸甘油酯、十八烷基三甲基氯化铵(STAC)、十八烷基三甲基溴化铵(STAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基三甲氯化铵以及戊乙二醇十二烷基醚生成。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝缘流体是非挥发性、不具有导电性以及在常温常压下流动的物质，并且其相对于所述微米级电介质体的比重为+/-50 %以内。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝缘流体选自矿物油、液体石蜡、链烷和硅酮油构成的组。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电场为恒定电场。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电场的范围为IV到1000V。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将用于产生所述电场的阳极和阴极设置为它们的中心轴彼此不平行。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电极为具有锋利尖端的棱锥型或圆锥形，或者为棱柱或圆柱形，并且该电极的材料具有导电性。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电极为选自钨、碳化钨、金、钼、银、 铜、铁和铝构成的组的导电物质。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电场通过具有阳极和阴极至少两个电极的电极组产生，并且该具有至少两个电极的电极组的方向为至少两个电极彼此处于不同的方向，该方法进一步包括通过控制该电场以及用于产生该电场的电极的空间设置来改变运动的路线或模式的步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制的实现是通过使用能够对三维的每个坐标在1微米单位上进行操作的微操作器来操作每个该坐标，或者通过手或镊子操作，将所述电极转换到需要的位置。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括通过空间控制所述电极以及控制施加电压的强度来间接控制所述电介质体以传输该电介质体的步骤。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述电介质体可运动的空间内设置微型涡轮机，该微型涡轮机随电介质体运动而运动从而获得功，该微型涡轮机具有旋转轴和刀片部分，该刀片绕该旋转轴旋转。
19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电介质体为两个以上，使两个以上的该电介质体集体运动而起到电机的作用。
20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法用于聚合物的机械控制、药物或化学药品的液滴传输、化学反应、药物或化学药品的制备、生物样品的非接触传输、或者微通道。
21.一种传输电介质体的装置，其特征在于，该装置包括以下设备A)用于接收该电介质体的绝缘流体；以及B)存在于该绝缘流体中、用于施加电场的包括两个电极的设备，该两个电极设置为它们的中心轴不在同一直线上。
22.一种用于获得机械功的装置，其特征在于，包括A)绝缘流体；B)设置在该绝缘流体内的电介质体；C)存在于该绝缘流体中、用于施加电场的包括两个电极的设备，该两个电极设置为它们的中心轴不在同一直线上；以及D)用于从该电介质体中获得机械功的设备。
23.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，所述电介质体为微米级，并且该微米级的范围为几纳米到1000微米。
24.根据权利要求23所述的装置，其特征在于，所述微米级的范围为1微米到100微米。
25.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，所述电介质体为施加静电场时发生电介质极化但不产生电流的物质，并且是具有静电极化率的物质。
26.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，所述电介质体选自水滴、聚合体物质以及玻璃珠构成的组。
27.根据权利要求沈所述的装置，其特征在于，所述水滴使用表面活性剂生成。
28.根据权利要求沈所述的装置，其特征在于，所述表面活性剂使用二油酰磷脂酰胆碱(DOPC)、二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)、二油酰磷脂酰丝氨酸(D0PQ、磷脂酸甘油酯、十八烷基三甲基氯化铵(STAC)、十八烷基三甲基溴化铵(STAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基三甲氯化铵以及戊乙二醇十二烷基醚生成。
29.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，所述绝缘流体是非挥发性、不具有导电性以及在常温常压下流动的物质，并且其相对于所述微米级电介质体的比重为 +/-50% 以内。
30.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，所述绝缘流体选自矿物油、液体石蜡、链烷和硅酮油构成的组。
31.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，所述电场为恒定电场。
32.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，所述电场的范围为IV到1000V。
33.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，用于产生所述电场的阳极和阴极设置为它们的中心轴彼此不平行。
34.根据权利要求33所述的装置，其特征在于，所述电极为具有锋利尖端的棱锥型或圆锥形，或者为棱柱或圆柱形，并且该电极的材料具有导电性。
35.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述电极为选自钨、碳化钨、金、钼、银、 铜、铁和铝构成的组的导电物质。
36.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，用于施加所述电场的所述设备为具有阳极和阴极至少两个电极的电极组，并且该具有至少两个电极的电极组的方向为至少两个电极彼此处于不同的方向。
37.根据权利要求36所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括能够对三维的每个坐标在1微米单位上进行操作的微操作器，该微操作器操作每个该坐标以将所述电极转换到需要的位置，或者进一步包括镊子。
38.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括通过空间控制所述电极以及控制施加电压的强度来间接控制所述电介质体以传输该电介质体的设备。
39.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括微型涡轮机。
40.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，该所述电介质体为两个以上，并且使两个以上的该电介质体集体运动而起到电机的作用。
41.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，该装置用于聚合物的机械控制、药物或化学药品的液滴传输、化学反应、药物或化学药品的制备、生物样品的非接触传输、或者微通道。
全文摘要
本发明的目的在于提供能够一种不产生电流而使纳米级物体运动并随意传输该物体，以及获得机械功的技术。经过努力，本发明人发现通过在绝缘流体比如油内安装用于为微米级等的电介质体产生电场的两个电极，使该两个电极的中心轴不在同一直线上而施加电场，比如恒定电场，可随意三维传输该电介质体，并且可由此获得机械功，从而达到上述目的。
文档编号B01J19/00GK102395424SQ20108001654
公开日2012年3月28日 申请日期2010年2月19日 优先权日2009年2月20日
发明者厚见悠, 吉川研一, 泷之上正浩 申请人:独立行政法人科学技术振兴机构