(資料圖片)
a、b:基座和三角形平臺示意圖,圓柱體表示DNA雙螺旋。 c:馬達裝配步驟。 d、e:轉(zhuǎn)子臂組件。 f:微型馬達動力學(xué)實驗裝置(左);接上電極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)(右)。 圖片來源:《自然》網(wǎng)站
汽車、鉆機等機器內(nèi)的馬達能幫人們完成日常生活中的各種任務(wù),人體內(nèi)也有天然分子馬達在執(zhí)行重要任務(wù),如一種被稱為ATP合成酶的馬達蛋白產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)分子,供人體短期儲存和傳遞能量。
天然分子馬達不可或缺,但在微觀尺度上重建機械性能與ATP合成酶相當(dāng)?shù)鸟R達則非常困難。現(xiàn)在,研究人員借助DNA折疊術(shù)構(gòu)建了一個能工作的納米級旋轉(zhuǎn)馬達。
DNA折疊術(shù)由美國加州理工學(xué)院科學(xué)家保羅·羅斯蒙德于2006年發(fā)明。該研究負責(zé)人、慕尼黑技術(shù)大學(xué)(TUM)教授亨德里克·迪茨說:“多年來,我們一直在改進這種方法,現(xiàn)在可以借此研制出非常精確和復(fù)雜的物體,例如可以捕捉病毒的分子開關(guān)等。”
新型納米馬達由DNA材料制成,包含3部分:基座、平臺和轉(zhuǎn)子臂。基座約40納米高,固定在溶液中的玻璃板上。基座上安裝了一個長500納米的轉(zhuǎn)子臂,使其能夠旋轉(zhuǎn)。位于基座和轉(zhuǎn)子臂之間的平臺對馬達能否按預(yù)期工作至關(guān)重要。在沒有能量供應(yīng)的情況下,電機的轉(zhuǎn)子臂會因為與周圍溶液中分子的碰撞而隨機移動,一旦通過兩個電極施加交流電壓,轉(zhuǎn)子臂就會在一個方向上旋轉(zhuǎn)。
迪茨表示,這種新型馬達具有前所未有的機械性能——它每秒產(chǎn)生的能量比兩個ATP分子分裂時釋放的能量還要多。此外,可以通過電場的方向及交流電壓的頻率和幅度來控制轉(zhuǎn)子臂旋轉(zhuǎn)的速度和方向,未來有望用于驅(qū)動用戶定義的化學(xué)反應(yīng):在表面密布這種馬達,添加起始材料,隨后施加一點交流電壓,馬達就會產(chǎn)生理想的化合物。
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