迄今最小流量驅(qū)動(dòng)電機(jī)僅二十五納米

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)研究人員制造出世界上最小的流量驅(qū)動(dòng)電機(jī)。受荷蘭標(biāo)志性風(fēng)車和生物馬達(dá)蛋白的啟發(fā)，研究人員構(gòu)建出一種通過DNA自我配置的流動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，可將電能或鹽梯度的能量轉(zhuǎn)化為有用的機(jī)械功。這一成果為在納米尺度上設(shè)計(jì)主動(dòng)機(jī)器人開辟了新的途徑。相關(guān)論文發(fā)表在最近的《自然·物理》雜志上。

幾千年來，旋轉(zhuǎn)電機(jī)一直是人類社會(huì)的動(dòng)力源。從荷蘭及世界各地的風(fēng)車和水輪，到今天代表綠色能源未來的先進(jìn)的離岸風(fēng)力渦輪機(jī)。這些由水流或風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)在生物細(xì)胞中也有突出的應(yīng)用，F(xiàn)oF1-ATP合成酶就是一個(gè)例子，它能產(chǎn)生細(xì)胞運(yùn)行所需的燃料。但到目前為止，要制造納米級(jí)的合成結(jié)構(gòu)仍然很難。

此次制造的流量驅(qū)動(dòng)電機(jī)是由DNA材料制成的。這種結(jié)構(gòu)與薄膜中的納米孔（一個(gè)微小的開口）對(duì)接。在電場(chǎng)作用下，只有7納米粗細(xì)的DNA束自組織成轉(zhuǎn)子狀結(jié)構(gòu)，隨后進(jìn)入每秒10轉(zhuǎn)以上的持續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

7年來，研究人員一直在嘗試自下而上地綜合制造這樣的旋轉(zhuǎn)納米電機(jī)。他們使用DNA折疊技術(shù)，利用互補(bǔ)DNA堿基對(duì)之間的特定相互作用來構(gòu)建2D和3D納米物體。通過施加電壓等方式形成離子流產(chǎn)生能量，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。其旋轉(zhuǎn)方向由轉(zhuǎn)子的手性設(shè)定，左旋順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；右旋則逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。研究人員還展示了這種“納米渦輪機(jī)”承載負(fù)荷的能力。

流量驅(qū)動(dòng)DNA轉(zhuǎn)子（圖片來源：代爾夫特理工大學(xué)塞斯·德克實(shí)驗(yàn)室）

研究人員表示，這一成果是一個(gè)里程碑，因?yàn)樗瞧駷橹故状卧诩{米尺度上實(shí)現(xiàn)的流量驅(qū)動(dòng)有源轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)工作的重要性并不僅限于這個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)子本身，它背后的技術(shù)和物理機(jī)制為制造合成納米電機(jī)開辟了一條全新途徑——流量驅(qū)動(dòng)的納米渦輪機(jī)，這是一個(gè)尚未被探索的領(lǐng)域。

研究人員表示，他們制造出第一個(gè)納米級(jí)渦輪機(jī)，再現(xiàn)了美麗的荷蘭風(fēng)車，但這一次它只有25納米，相當(dāng)于體內(nèi)一個(gè)蛋白質(zhì)的大小。