Войти
A наномотор - это молекулярное или наномоторное устройство, способное преобразовывать энергию в движение. Обычно он может генерировать силы порядка пиконьютонов.
Спиральный наномотор с магнитным управлением, движущийся внутри клетки HeLa, рисующей узор «N». В то время как наночастицы имеют веками использовались художниками, например, в знаменитой чаше Ликурга, научные исследования в области нанотехнологий не проводились до недавнего времени. В 1959 году Ричард Фейнман выступил со знаменитым докладом под названием «На дне много места » на конференции Американского физического общества, проходившей в Калифорнийском технологическом институте. Далее он сделал научную ставку на то, что ни один человек не сможет спроектировать двигатель меньше 400 мкм с любой стороны. Цель пари (как и большинства ставок на науку) заключалась в том, чтобы вдохновить ученых на разработку новых технологий, и любой, кто сможет разработать наномотор, мог претендовать на приз в размере 1000 долларов США. Однако его цели помешал Уильям Маклеллан, который изготовил наномотор без разработки новых методов. Тем не менее, речь Ричарда Фейнмана вдохновила новое поколение ученых на исследования в области нанотехнологий.
Кинезин использует динамику белковых доменов на наномасштабе, чтобы ходить по микротрубочке.. Наномоторы являются предметом исследований из-за их способности преодолевать существующую микрофлюидную динамику. при низких числах Рейнольдса. Теория гребешка объясняет, что наномоторы должны нарушать симметрию, чтобы производить движение при малых числах Рейнольдса. Кроме того, необходимо учитывать броуновское движение, поскольку взаимодействие частиц с растворителем может существенно повлиять на способность наномотора проходить через жидкость. Это может стать серьезной проблемой при разработке новых наномоторов. Текущие исследования наномоторов направлены на преодоление этих проблем и, таким образом, могут улучшить существующие микрофлюидные устройства или привести к появлению новых технологий.
В 2004 г. Аюсман Сен и Томас Э. Маллук изготовил первый синтетический автономный наномотор. Нанодвигатели длиной два микрона состояли из двух сегментов, платины и золота, которые могли каталитически реагировать с разбавленной перекисью водорода в воде, вызывая движение. Наномоторы Au-Pt обладают автономным, не броуновским движением, которое происходит от движителя через каталитическую генерацию химических градиентов. Как подразумевается, их движение не требует наличия внешнего магнитного, электрического или оптического поля для направления их движения. Считается, что, создавая свои собственные локальные поля, эти двигатели проходят самоэлектрофорез. Джозеф Ван в 2008 году смог значительно улучшить движение каталитических наномоторов Au-Pt, включив углеродные нанотрубки в платиновый сегмент.
С 2004 года были разработаны различные типы двигателей на основе нанотрубок и нанопроволок, в дополнение к нано- и микродвигатели различной формы. В большинстве этих двигателей в качестве топлива используется перекись водорода, но существуют некоторые заметные исключения.
Металлические микростержни (длина 4,3 мкм и диаметр 300 нм) могут автономно перемещаться в жидкостях или внутри живых клеток без химического топлива с помощью резонансного ультразвука. Эти стержни содержат центральную полосу из никеля, которой можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, что приводит к «синхронному плаванию». Эти галогенидосеребряные и серебряно-платиновые наномоторы питаются от галогенидного топлива, которое можно регенерировать при воздействии окружающего света. Некоторые наномоторы даже могут приводиться в движение множеством стимулов с различной реакцией. Эти многофункциональные нанопроволоки движутся в разных направлениях в зависимости от применяемого стимула (например, химического топлива или мощности ультразвука). Например, было показано, что биметаллические наномоторы подвергаются реотаксису, чтобы двигаться вместе с потоком жидкости или против него за счет комбинации химических и акустических стимулов. В Дрездене, Германия, свернутые в рулон наномоторы из микротрубок создавали движение, задействуя пузырьки в каталитических реакциях. Без зависимости от электростатических взаимодействий движение, вызванное пузырьками, позволяет двигателю двигаться в соответствующих биологических жидкостях, но, как правило, все еще требует токсичного топлива, такого как перекись водорода. Это ограничило применение наномоторов in vitro. Однако одно применение микропробирочных моторов in vivo было впервые описано Джозефом Вангом и Лянфангом Чжаном с использованием желудочной кислоты в качестве топлива. Будущие исследования каталитических наномоторов открывают большие перспективы для важных приложений для буксировки грузов, начиная от устройств с микрочипами для сортировки клеток и заканчивая направленной доставкой лекарств.
A рибосома - это биологическая машина, которая использует динамику белка на наномасштабе В последнее время было проведено больше исследований в разработку ферментативных наномоторов и микронасосов. При низких числах Рейнольд одиночные молекулы ферментов могут действовать как автономные наномоторы. Аюсман Сен и Самудра Сенгупта продемонстрировали, как автономные микронасосы могут улучшить транспортировку частиц. Эта экспериментальная система демонстрирует, что ферменты можно успешно использовать в качестве «двигателя» в наномоторах и микронасосах. С тех пор было показано, что сами частицы будут диффундировать быстрее, если они покрыты молекулами активного фермента в растворе их субстрата. Кроме того, в ходе микрофлюидных экспериментов было замечено, что молекулы ферментов будут подвергаться направленному плаванию вверх по градиенту субстрата. Это остается единственным методом разделения ферментов на основе только активности. Кроме того, ферменты в каскаде также показали агрегацию на основе хемотаксиса, управляемого субстратом. Разработка наномоторов, управляемых ферментами, обещает вдохновить на создание новых биосовместимых технологий и медицинских приложений.
Предлагаемое направление исследований - интеграция молекулярных моторных белков, обнаруженных в живых клетках, в молекулярные моторы, имплантированные в искусственные устройства. Такой моторный белок мог бы перемещать «груз» внутри этого устройства посредством динамики белка, аналогично тому, как кинезин перемещает различные молекулы по дорожкам микротрубочек. внутри клеток. Запуск и остановка движения таких моторных белков будет включать связывание АТФ в молекулярных структурах, чувствительных к УФ-свету. Таким образом, импульсы ультрафиолетового излучения будут давать импульсы движения. Также были описаны ДНК-наномашины, основанные на изменениях между двумя молекулярными конформациями ДНК в ответ на различные внешние триггеры.
Другое интересное направление исследований привело к созданию спиральных частиц кремнезема, покрытых магнитными материалами, которыми можно маневрировать с помощью вращающегося магнитного поля.
Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа a Спиральный наномотор Такие наномоторы не зависят от химических реакций, питающих двигательную установку. Трехосная катушка Гельмгольца может создавать направленное вращающееся поле в пространстве. Недавние работы показали, как такие наномоторы можно использовать для измерения вязкости неньютоновских жидкостей с разрешением в несколько микрон. Эта технология обещает создание карты вязкости внутри клеток и внеклеточной среды. Было продемонстрировано, что такие наномоторы движутся в крови. Недавно исследователям удалось контролируемым образом перемещать такие наномоторы внутри раковых клеток, что позволяет им отслеживать закономерности внутри клетки. Наномоторы, движущиеся через микросреду опухоли, продемонстрировали присутствие сиаловой кислоты в секретируемом раком внеклеточном матриксе.
Научный портал 
Технологический портал 