科學家們已經建造了世界上最小的流動驅動馬達。受標誌性的荷蘭風車和生物馬達蛋白的啟發，他們從DNA中創造了一個自我配置的流動驅動轉子，將來自電或鹽梯度的能量轉換為有用的機械功。該成果為納米級的主動機器人工程開闢了新的前景。荷蘭代爾夫特理工大學研究人員的論文於周四發表在《自然-物理學》上。
幾千年來，旋轉電機一直是人類社會的動力源泉。我們可以回顧一下歷史，橫跨荷蘭和世界的風車和水車。今天，先進的海上風力渦輪機驅動着我們綠色能源的未來。
“這些由水流驅動的旋轉馬達，在生物細胞中也有突出的特點。一個例子是FoF1-ATP合成酶，它產生細胞運作所需的燃料。但迄今為止，納米級的合成結構仍然難以捉摸，”代爾夫特理工大學（TU Delft）仿生科學系Cees Dekker教授實驗室的博士后研究員施新（音譯）博士說。
“我們的流動驅動馬達是由DNA材料製成的。這種結構被對接在一個納米孔上，一個微小的開口，在一個薄薄的膜上。在電場的作用下，厚度僅為7納米的DNA束自我組織成一個類似轉子的構造，隨後被設定為每秒超過10轉的持續旋轉運動，”研究的第一作者施新說。
“已經7年了，我們一直在嘗試自下而上地合成這種旋轉的納米電機。我們與慕尼黑工業大學的亨德里克-迪茨實驗室合作，使用了一種叫做DNA摺紙的技術，”監督這項研究的Cees Dekker補充說。“這項技術利用互補的DNA鹼基對之間的特定相互作用來構建二維和三維納米物體。轉子利用來自水和離子流的能量。這是通過施加電壓或更簡單的方式建立的：通過在膜的兩邊有不同的鹽濃度。後者實際上是生物學中最豐富的能量來源之一，為各種關鍵過程提供動力，包括細胞燃料合成和細胞推進。”
解決一個難題
這項成就是一個里程碑，因為它是有史以來第一次在納米尺度上實現流動驅動的主動轉子的實驗。然而，當研究人員第一次觀察到旋轉時，他們感到困惑：如此簡單的DNA棒如何能表現出這些漂亮、持續的旋轉？在與理論家Ramin Golestanian和他在哥廷根的馬克斯-普朗克動力學和自組織研究所的團隊的討論中，這個難題得到了解決。他們對該系統進行了建模，並揭示了迷人的自組織過程，在這個過程中，束狀物自發地變形為手性旋轉體，然後與來自納米孔的流動相耦合。
從簡單到合理的設計
施新說：“這個自組織過程真正顯示了簡單的美。但是這項工作的重要性並不局限於這個簡單的轉子本身。它背後的技術和物理機制建立了一個全新的構建合成納米馬達的方向：流動驅動的納米渦輪機，這是一個令人驚訝的未被科學家和工程師探索的領域。你會驚訝於我們在建造這種流動驅動的納米渦輪機方面所知道的和所取得的成就是如此之少，特別是考慮到我們在建造它們的宏觀對應物方面有幾千年的知識，以及它們在生命本身所發揮的關鍵作用。”
在進一步的步驟中（已在預印本中），該小組利用他們從構建這種自組織轉子中學到的知識，取得了下一個重要進展：第一個合理設計的納米級渦輪機。“就像科學和技術總是這樣，我們從一個簡單的風車開始，現在能夠重現美麗的荷蘭風車，但這次的尺寸只有25納米，相當於你體內一個蛋白質的大小，”施新說，“而且我們證明了它們承載負荷的能力。”
“而現在，旋轉方向是由設計的手性設定的，”Dekker補充說。“左手的渦輪機順時針旋轉；右手的渦輪機逆時針旋轉。”
除了更好地理解和模仿FoF1-ATP合成酶等運動蛋白外，這些結果為在納米尺度上設計主動式機器人打開了新的前景。施新表示：“我們在這裡展示的是一個納米級的發動機，它真正能夠傳遞能量並做功。你可以用18世紀蒸汽機的首次發明來做個比喻。誰能預料到它是如何從根本上改變我們的社會的呢？我們現在可能正處於與這些分子納米發動機類似的階段。潛力是無限的，但仍有許多工作要做。”