幾千年來，旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(fēng)車和水車。今天，先進(jìn)的海上風(fēng)力渦輪機(jī)驅(qū)動著我們綠色能源的未來。

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“這些由水流驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，在生物細(xì)胞中也有突出的特點(diǎn)。一個(gè)例子是FoF1-ATP合成酶，它產(chǎn)生細(xì)胞運(yùn)作所需的燃料。但迄今為止，納米級的合成結(jié)構(gòu)仍然難以捉摸，”代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）仿生科學(xué)系Cees Dekker教授實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員施新（音譯）博士說。

“我們的流動驅(qū)動馬達(dá)是由DNA材料制成的。這種結(jié)構(gòu)被對接在一個(gè)納米孔上，一個(gè)微小的開口，在一個(gè)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(gè)類似轉(zhuǎn)子的構(gòu)造，隨后被設(shè)定為每秒超過10轉(zhuǎn)的持續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，”研究的第一作者施新說。

“已經(jīng)7年了，我們一直在嘗試自下而上地合成這種旋轉(zhuǎn)的納米電機(jī)。我們與慕尼黑工業(yè)大學(xué)的亨德里克-迪茨實(shí)驗(yàn)室合作，使用了一種叫做DNA折紙的技術(shù)，”監(jiān)督這項(xiàng)研究的Cees Dekker補(bǔ)充說。“這項(xiàng)技術(shù)利用互補(bǔ)的DNA堿基對之間的特定相互作用來構(gòu)建二維和三維納米物體。轉(zhuǎn)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。后者實(shí)際上是生物學(xué)中最豐富的能量來源之一，為各種關(guān)鍵過程提供動力，包括細(xì)胞燃料合成和細(xì)胞推進(jìn)。”

解決一個(gè)難題

這項(xiàng)成就是一個(gè)里程碑，因?yàn)樗怯惺芬詠淼谝淮卧诩{米尺度上實(shí)現(xiàn)流動驅(qū)動的主動轉(zhuǎn)子的實(shí)驗(yàn)。然而，當(dāng)研究人員第一次觀察到旋轉(zhuǎn)時(shí)，他們感到困惑：如此簡單的DNA棒如何能表現(xiàn)出這些漂亮、持續(xù)的旋轉(zhuǎn)？在與理論家Ramin Golestanian和他在哥廷根的馬克斯-普朗克動力學(xué)和自組織研究所的團(tuán)隊(duì)的討論中，這個(gè)難題得到了解決。他們對該系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并揭示了迷人的自組織過程，在這個(gè)過程中，束狀物自發(fā)地變形為手性旋轉(zhuǎn)體，然后與來自納米孔的流動相耦合。

從簡單到合理的設(shè)計(jì)

施新說：“這個(gè)自組織過程真正顯示了簡單的美。但是這項(xiàng)工作的重要性并不局限于這個(gè)簡單的轉(zhuǎn)子本身。它背后的技術(shù)和物理機(jī)制建立了一個(gè)全新的構(gòu)建合成納米馬達(dá)的方向：流動驅(qū)動的納米渦輪機(jī)，這是一個(gè)令人驚訝的未被科學(xué)家和工程師探索的領(lǐng)域。你會驚訝于我們在建造這種流動驅(qū)動的納米渦輪機(jī)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(yīng)物方面有幾千年的知識，以及它們在生命本身所發(fā)揮的關(guān)鍵作用?！?/p>

在進(jìn)一步的步驟中（已在預(yù)印本中），該小組利用他們從構(gòu)建這種自組織轉(zhuǎn)子中學(xué)到的知識，取得了下一個(gè)重要進(jìn)展：第一個(gè)合理設(shè)計(jì)的納米級渦輪機(jī)?！熬拖窨茖W(xué)和技術(shù)總是這樣，我們從一個(gè)簡單的風(fēng)車開始，現(xiàn)在能夠重現(xiàn)美麗的荷蘭風(fēng)車，但這次的尺寸只有25納米，相當(dāng)于你體內(nèi)一個(gè)蛋白質(zhì)的大小，”施新說，“而且我們證明了它們承載負(fù)荷的能力?！?/p>

“而現(xiàn)在，旋轉(zhuǎn)方向是由設(shè)計(jì)的手性設(shè)定的，”Dekker補(bǔ)充說?！白笫值臏u輪機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；右手的渦輪機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)?！?/p>

除了更好地理解和模仿FoF1-ATP合成酶等運(yùn)動蛋白外，這些結(jié)果為在納米尺度上設(shè)計(jì)主動式機(jī)器人打開了新的前景。施新表示：“我們在這里展示的是一個(gè)納米級的發(fā)動機(jī)，它真正能夠傳遞能量并做功。你可以用18世紀(jì)蒸汽機(jī)的首次發(fā)明來做個(gè)比喻。誰能預(yù)料到它是如何從根本上改變我們的社會的呢？我們現(xiàn)在可能正處于與這些分子納米發(fā)動機(jī)類似的階段。潛力是無限的，但仍有許多工作要做?！?/p>