化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動的自熱泳納米馬達

高兆帥 胡 鈞

(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，物理生物學(xué)研究室，上海光源生物成像中心，上海201800)

化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動的自熱泳納米馬達

高兆帥 胡 鈞

(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，物理生物學(xué)研究室，上海光源生物成像中心，上海201800)

自驅(qū)動生物馬達廣泛存在于生物體中，利用化學(xué)能量自驅(qū)動克服布朗運動的阻力，進而高效精確地行使特定的生物功能1。受自驅(qū)動生物馬達的啟發(fā)，激起了關(guān)于人工自驅(qū)動納米馬達的研究熱潮。人工合成自驅(qū)動納米馬達在特定的刺激(光、熱、化學(xué)刺激等)作用下，可實現(xiàn)速率及方向可控的自驅(qū)動運動。依據(jù)自驅(qū)動機理，納米馬達分為三大類2：自擴散泳3、自電泳、自熱泳4納米馬達。目前，對于人工納米馬達的研究已取得較好的進展，并在生物流體中藥物的靶向運輸及智能納米機器人的開發(fā)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

然而，人工納米馬達的開發(fā)與應(yīng)用受到了多方面條件的制約。其一、有限的追蹤手段。傳統(tǒng)的光學(xué)成像方法很難對納米粒子在三維空間內(nèi)的運動實時成像。目前的工作，通常需要將納米馬達局限在二維平面，這在一定程度上偏離了納米馬達在溶液中自由運動的實際情況。其二、較大的尺寸。受制于光學(xué)成像分辨率的限制，目前報道的納米馬達通常尺寸較大(大于100 nm)，這限制了其在真實生物體內(nèi)的應(yīng)用。其三、缺乏化學(xué)反應(yīng)速率與馬達自驅(qū)動運動速率的之間定量關(guān)系，無法從馬達設(shè)計源頭實現(xiàn)對運動速率的準確控制。

基于此，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所樊春海、李迪團隊構(gòu)建了一種基于等離子體材料的“兩面神”(Janus)納米馬達。該納米馬達同時具有優(yōu)異的催化及局域表面等離子體光學(xué)性質(zhì)。他們利用納米等離子體材料的共振散射光作為檢測信號，在共振光散射相關(guān)光譜(RLSCS)5下對催化反應(yīng)條件下“兩面神”納米馬達的擴散行為進行研究。該方法不同于傳統(tǒng)的界面上二維追蹤方法，成功地獲得了該納米馬達在溶液環(huán)境中的擴散系數(shù)。

該工作發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)熱可有效驅(qū)動納米馬達，實現(xiàn)底物化學(xué)能向馬達運動機械能的轉(zhuǎn)化，較之于光熱驅(qū)動自熱泳6，該方法在小粒徑納米馬達的驅(qū)動上具有獨特的優(yōu)勢，為納米馬達生物應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此外，發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)速率與自驅(qū)動運動速率的關(guān)系并建立起了隨機模型。通過調(diào)節(jié)底物濃度以及催化劑的性質(zhì)可實現(xiàn)對馬達運動速率的控制。該理論模型的建立對新型納米馬達的設(shè)計、應(yīng)用具有重大的指導(dǎo)性意義。該研究成果發(fā)表于近期Angewandte Chemie International Edition雜志7上。

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(3)Golestanian,R.Phys.Rev.Lett.2009,102,188305.doi:10.1103/ PhysRevLett.102.188305

(4)Jiang,H.R.;Yoshinaga,N.;Sano,M.Phys.Rev.Lett.2010,105, 248302.doi:10.1103//PhysRevLett.105.248302

(5)Liu,H.;Dong,C.Q.;Ren,J.C.J.Am.Chem.Soc.2014,136, 2775.doi:10.1021/jacs.5b00324

(6)Xuan,M.;Wu,Z.G.;Shao,J.X.;Dai,L.R.;Si,T.Y.;He,Q.J. Am.Chem.Soc.2016,138,6492.doi:10.1021/jacs.6b00902

(7)Qin,W.W.;Peng,T.H.;Gao,Y.J.;Wang,F.;Hu,X.C.;Wang, K.;Shi,J.Y.;Li,D.;Ren,J.C.;Fan,C.H.Angew.Chem.Int.Ed. 2016,doi:10.1002/anie.201609121

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10.3866/PKU.WHXB201612163www.whxb.pku.edu.cn