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納米汽車是一種可以在分子表面運動的大分子結構。美國德克薩斯州的科學家成功研製出了只有人體頭髮直徑五萬分之一大小的汽車「Nanodragster」。這輛世界上最小的汽車為研發未來新一代分子機器鋪平了道路。

1 納米汽車 -發展簡史

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人類可以用小的機器製作更小的機器,最後將逐個地排列原子,製造產品。這是著名物理學家諾貝爾獲得者理查德•費曼1959年對納米技術的最早夢想。從此,人類就開始了對納米世界的探求。近來很多研究致力於分子機器的合成,用於實現特定的任務。基於此,美國萊斯大學2005年製造出第一個分子汽車,同宏觀的汽車是為了將人送到某個固定的地方一樣,未來這種車輛可用來運輸單個的分子,可成為「納米生產」中的有用工具。2006年又有人提出一種帶分子馬達的納米汽車。

2 納米汽車 -基本內容

這種車輛只有不過3到4納米見方比單股的DNA稍寬,而一根頭髮的直徑大約是8萬納米。 這種納米汽車1克的材料就可以裝載約1000毫克的藥物分子,因為體積小,所以能在器官和血管中自由通行。它外形好似布滿規則小孔的「空心球」,裡邊裹挾著藥物,當納米送葯車在體外磁場的作用下抵達患處,然後經過調節患處酸鹼度或離子強度,納米汽車的「外衣」就會脫去,小車上裝載的藥物就被釋放出來。研究人員希望這種特殊的交通工具能夠被用於分子構造領域。改進后的納米車能夠承載一個分子的「貨物」,在納米工廠之間運送原子和分子。它包括底盤,車軸(它利用一種三合體作軸,連接每個輪子的軸都能獨立轉動,使得這種車能夠在凹凸不平的原子表面行進。)和富勒烯(又稱巴基球,由60個碳原子組成)輪子,並驗證了其運動是基於輪子的轉動而不是通常分子間的粘滯摩擦作用。

該納米汽車放置在金片表面,先通過強電場將納米車束縛在金片的表面,當溫度上升到170℃以上時再去掉電場,這是納米車輛就能像微型汽車一樣運動。當環境溫度在170攝氏度到220攝氏度之間時,納米汽車既能直線運動,也能做旋轉,而這種旋轉是發生在與軸垂直,說明這種平移方向與分子取向有關。而對於此時的納米汽車有兩個不可忽略的現象:一,納米車初始運動的方向選擇沒有確定性,對於平齊的相同的幾輛納米車,有的會向前運動有的會向後運動,而這種運動離我們利用納米汽車定向的輸送分子的目的不符。二,納米汽車運動起來后雖然會一直沿著某個大方向運動,但是中間總會有小的轉彎現象,其可能的原因首先殊車軸特殊的幾何結構所致,因為四個輪子並不是像宏觀汽車的輪子運動方式相同,而是各自可以獨立的運動,這樣運動會導致運動方向的不穩定性,其次因為汽車源源不斷運動的動力來源於加熱,由熱運動導致的納米汽車小範圍的漲落也會對方向的偏轉有一些影響。為了讓納米汽車更好的做定向運動,可以使用STM探針直接驅動的圖像。可以用加熱誘導或者直接通過STM機探針操控,但是對於真正可以使用的定向運動的納米車,這些方式都有致命的缺陷。對於加熱誘導,其前後運動方向性不確定,而對於STM探針操控,對成千上萬的納米汽車是不可能的,因此我們想到是否能像宏觀汽車一樣給納米車裝上馬達,對於納米車作定向運動馬達的機制一直是科學家在尋找的難題。有一種可能的分子馬達的運動機制,在其中間部位有一個短臂,在光照和加熱底板的作用下,起著激勵的作用,它不停的在基底上划動從而帶動輪子轉動。

3 納米汽車 -光致納米汽車

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到現在人們已經發展了各種分子馬達,但由Feringa等設計的單向馬達其應用最廣,其具備以下幾點:它可以實現重複轉動;使用光和熱(35-65℃)作為動力源;可以實現單向運動;其功能的實現不需要複雜的轉動;即使在金屬表面也可以運動。這個結構不同於前面的富勒烯結構的分子汽車,作者選擇P型碳硼烷車輪是因為發現在富勒烯存在時,Feringa馬達是完全不起作用的,可能是因為馬達激發態向富勒烯的能量轉移比其馬達的轉動快得多。納米汽車所有部件的選擇都是為了能通過STM觀察到其在原子表面平動的現象。首先,選擇p型碳硼烷作車輪,因為它具有三維近球狀構造,並且不吸收365nm的光,這種光是分子汽車的動力源,而且我們可以證明的是,他們不會過早的淬滅馬達進行的光化學過程。第二,炔烴已被用來作為車軸因為他們的對能源的吸收也是充分低的。納米車在這種馬達的作用下能夠緩緩的做定向的運動,但是運動的速率非常慢,未來對在光致異構的過程中是否能量轉移到了金屬層,是否馬達有足夠的能量在表面運動,如何提高這種納米車的運動速度。 更重要的研究是尋找出準確控制其運動的方式,這樣可以用來生產複雜的材料或藥物。

4 納米汽車 -最新成果Nanodragster

納米汽車光致納米汽車

最近,美國德克薩斯州的科學家成功研製出了只有人體頭髮直徑五萬分之一大小的汽車「Nanodragster」。這輛世界上最小的汽車為研發未來新一代分子機器鋪平了道路。這項重要成果的研究報告發表在了最新一期的美國《有機快報》雙周刊上。

Nanodragster比之前設計的納米車—NanoCar小得多,而且性能也比NanoCar好。研製Nanodragster的詹姆斯·托爾和凱文·凱利注意到,控制小分子運動的能力對於改進分子機器的性能非常重要,分子機器的研製可能對未來製造計算機電路和其他電子元件方面很有價值。

近年來,科學家在設計納米級車輛方面取得了很大的進步,其中包括裝有巴基球輪子的NanoCar。「巴基球」是由60個碳原子構成的納米級球狀分子,具有很多新奇特性。NanoCar的尺寸約為4x3納米,不到頭髮絲直徑的1/20000,卻有四個球形輪子,還擁有完整的底盤和輪軸。托爾等人當時預計,NanoCar的主要功能是讓NanoCar承載有效載荷從A點移動到B點。

NanoCar暴露在高溫或電場梯度環境中可以快速行駛,但人們對它的運動控制是有限的。這些缺點導致NanoCar不能被廣泛使用,其最大的限制因素是缺乏用於研究運動和能力範圍的納米工具。新的微型汽車Nanodragster解決了這些問題。Nanodragster車前端有一個小軸,車輪用特殊材料製成,滾動比較容易。後輪仍然是由巴基球製成,但車軸較長,增強了表面附著力。托爾表示,Nanodragster與普通納米汽車相比最大的優勢是能在較低的溫度下運行,而且具有更好的靈活性,為研製更好的分子機器鋪平了道路,並加快了研製步伐。

5 納米汽車 -學科分支

納米技術之納米筆

這種新型納米筆能畫出40納米寬度的線條,這是紅血球直徑的1/100.它是利用毛細作用來保持筆管中的液體流動,筆管連接著一個很小的「墨水庫」。它還是支多用途的筆,能夠儲存多種不同的墨水,從繪畫顏料到生物原料。雖然首批納米筆早已誕生,但它們不能儲存墨水,而且必須蘸進墨水中才能使用。

這種筆的筆尖是由鑽石材料製成,或者是外表覆蓋有鑽石層的硅,它被粘貼在一個筆桿上。因此筆尖將非常耐用。由於新型納米筆是用標準的微製造技術製成,因此能夠大批量生產。納米筆能夠與微粒子顯微鏡結合,讓科學家在觀察納米微觀世界的同時,在上面「作畫」。科學家希望,它最終能夠被用於製造蛋白質排列和複雜的半導體。

納米技術之發動機

這台發動機由置於納米碳管基座上的兩滴液體物質構成,利用液體的表面張力工作。發動機長度有200納米。它由固定在多層納米碳管基座上的一大一小兩滴滴液態銦構成,直徑分別為90納米和30納米。其工作原理是液體的張力特性:由於物體體積越小表面張力的作用越明顯,在微米尺度以下表面張力則占統治地位。

在外加電場的作用下大液滴向小滴沿基座傳送原子,小液滴變大而大滴變小,直到兩滴相觸完成收縮過程。接觸后在表面張力的作用下,大滴迅速吞噬小滴,完成舒張過程。在這一過程中,能量轉變會產生動力。在外加電場的作用下這個裝置可以持續工作。這一裝置產生的能量雖然只有20微瓦,但是這和它的個頭比起來已經相當高效。

6 納米汽車 -應用領域

科學家們解釋稱,分子機器指由分子尺度的物質構成、能行使某種功能的機器,其構件主要是蛋白質等生物分子。因其尺寸多為納米級,又稱生物納米機器,具有小尺寸、多樣性、自指導、有機組成、自組裝、準確高效、分子柔性、自適應、僅依靠化學能或熱能驅動、具有其它人造機器難以比擬的性能,因此研究分子機器具有重大意義,它可以促進生物學的發展,深入認識蛋白質分子機器機制,開發生物分子機器並促進仿生學發展。

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