微觀世界里的發(fā)動機

王麟

一艘納米級大小的微型潛艇，滿載著幾位技藝精湛的醫(yī)生，在波濤洶涌的紅色大海里劈波斬浪。隨著心臟強勁地收縮與舒張，紅色大海咆哮怒吼，推動著微型潛艇迅速穿過幽長的隧道，向前飛奔，一直到達目的地——病人血管的病灶前面。這是1966年上映的美國好萊塢電影《神奇旅程》中令人驚心動魄而又目眩神迷的場景。

研究分子層面的納米技術(shù)，開始于150多年前，經(jīng)過科學(xué)家們的不斷努力，這項技術(shù)在最近十多年來取得了很多進展，那些在50年前還屬于科學(xué)幻想的技術(shù)，如今正逐步變成現(xiàn)實?？茖W(xué)家們在微觀世界領(lǐng)域盡展才華，研發(fā)出種類繁多的微型馬達，在分子層面組裝納米大小的機器人，去執(zhí)行人類在宏觀世界無法實施的任務(wù)。

納米馬達以及以此作為原動力的納米機器到底有何神奇之處，需要我們親眼去看看。

會變色的杯子

將納米材料應(yīng)用于實際，古已有之，最著名的當(dāng)屬考古發(fā)現(xiàn)的古羅馬時代的“萊克格斯杯”，距今約1 600年，是一只雙色高腳玻璃杯，能夠隨著光線變化顯示出不同的顏色。經(jīng)過科學(xué)家研究才知道，玻璃材質(zhì)里面摻雜了直徑50納米大小的金、銀等金屬顆粒，很顯然，這個玻璃杯采用了與現(xiàn)代納米科技相同的技術(shù)。然而，納米技術(shù)雖然在1 000多年前就得以應(yīng)用，但是人們對其機理并不清楚，直到最近20多年里，納米技術(shù)才有了重大突破，并在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

起初來自物理學(xué)家的構(gòu)想

納米技術(shù)包含的范圍很廣泛，除了納米材料之外，如今最受關(guān)注的焦點技術(shù)領(lǐng)域就是納米馬達。我們總是幻想能夠通過納米機器人進入人的身體內(nèi)部，修復(fù)受損的組織，與入侵的病毒作斗爭，不再通過外科手術(shù)或者服用藥物來治療疾病，這也是未來醫(yī)學(xué)的發(fā)展方向。然而，納米機器人也需要驅(qū)動力，因此研發(fā)納米馬達是制造納米機器人的第一步。

提出“納米馬達”這個構(gòu)想的，是美國物理學(xué)家理查德·費曼，他在1959年12月份加州理工學(xué)院舉辦的美國物理協(xié)會年會上，發(fā)表了“物質(zhì)底層大有空間”的演講，還與同仁們打賭，聲稱沒有人能夠制造出尺寸小于400納米的馬達，賭金為1 000美元。

沒想到僅僅過了一年，美國電氣工程師威廉·麥克萊倫就制造出重量只有200微克、轉(zhuǎn)速達到每分鐘2 000轉(zhuǎn)的電氣馬達，尺寸滿足了費曼提出的苛刻要求。費曼的這次打賭雖然輸了，卻開創(chuàng)了納米新技術(shù)時代。

強大的動力使者

那么什么是納米馬達呢？科技工作者給納米馬達的定義是“能夠?qū)⒒瘜W(xué)能、光能、電能等轉(zhuǎn)化為運動動能或者驅(qū)動力的納米裝置”。

納米馬達的尺寸都很小，一般為幾個納米或者幾十納米，具備很多優(yōu)點，比如重量輕、體積小、輸出推力大、功耗低、轉(zhuǎn)化效率高等，為體感監(jiān)測、納米制造、納米裝配、納米自組裝和納米驅(qū)動等技術(shù)領(lǐng)域帶來革命性的進步，在納米電子學(xué)和納米醫(yī)療的定向精確輸送藥物方面，應(yīng)用潛力和前景十分廣闊。

龐大的家族

如今，納米馬達屬于熱門技術(shù)研究領(lǐng)域，研制的微型馬達種類各異，形成了花樣繁多、性能不同的納米馬達家族。

按照使用原材料的不同，可分為固體材料納米馬達和合成生物分子材料納米馬達，除此之外，納米馬達研究還有一個很重要的分支，那就是直接研究存在于生物體中的分子馬達，并拿來直接使用，安裝在納米機器人中，為其提供動力。

第一類納米馬達以納米管和納米絲馬達為代表。早在2004年，美國賓夕法尼亞大學(xué)化學(xué)教授阿尤斯曼·森帶領(lǐng)團隊利用鉑金和黃金納米微粒研制成功大小只有2微米的納米馬達，通過水中稀釋的過氧化氫進行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡來提供動力。這類納米馬達不需要外部磁場、電場和光場提供能源，也能克服納米尺寸下的微粒受 布朗運動 的影響，而最大的缺點就是必須依賴水和過氧化氫，使其應(yīng)用范圍受限，不能在試管之外得到推廣。第二類合成生物分子的納米馬達如今也已經(jīng)取得了重大的技術(shù)突破，科學(xué)家們基于奇異合成分子，研發(fā)成功多種分子穿梭器和分子轉(zhuǎn)子等納米機械。

此外，還有按驅(qū)動方式將納米馬達分類的方法，可分為單分子酶類納米馬達和納米泵，以及通過光電能驅(qū)動的納米馬達等。

終極目標(biāo)——納米機器人

研制納米馬達的最終目標(biāo)，就是為了制造納米生物機器人，按照技術(shù)發(fā)展的先后順序，納米機器人的研發(fā)可分為三代，也是三個由低到高、由簡單到復(fù)雜的過程。第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合，結(jié)構(gòu)部件用碳納米管，動力構(gòu)件用分子馬達，關(guān)節(jié)用DNA構(gòu)件；第二代納米機器人直接利用原子或者分子，裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置；第三代納米機器人則更進一步，在第二代的基礎(chǔ)上安裝上納米控制芯片以及納米計算機，為納米機器人創(chuàng)造一個更加寬廣的應(yīng)用舞臺。

綠色環(huán)保的動力來源

“生物分子馬達”是由生物大分子構(gòu)成，能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成機械能的納米系統(tǒng)，通過光電等外部刺激，使得分子結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的可控變化，從而對外提供機械能。我們?nèi)梭w細(xì)胞中就存在很多這類生物分子馬達，一般分為兩大類：蛋白質(zhì)馬達和DNA馬達。

生物分子馬達最大的特點就是能夠主動地從周圍環(huán)境中捕獲ATP能量分子，借助微觀世界的熱漲落效應(yīng)，來消耗ATP水解之后的化學(xué)能，從而實現(xiàn)對外做功。生物分子馬達的最令人驚嘆之處就是做功效率極高，能量轉(zhuǎn)化率可達到60%～100%，而一般的人造機器要是想實現(xiàn)化學(xué)能向機械能的轉(zhuǎn)化，必須借助熱力或者電力才能實現(xiàn)，這種能量轉(zhuǎn)化率比較低，遠(yuǎn)不能與生物分子馬達相比?？茖W(xué)家們?nèi)缃裨谘邪l(fā)一種技術(shù)，將這些現(xiàn)成的蛋白質(zhì)和DNA馬達直接拿來使用，安裝在納米生物機器人機械中，為其提供綠色環(huán)保的動力。