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  • 纳米汽车

    纳米汽车是一种可以在分子表面运动的大分子结构。它是以一种新型的富勒烯为车轮,不粘滑或平移滑动,而不是像传统汽车一样滚动。纳米汽车所有部件的选择都是为了能通过STM观察到其在原子表面平动的现象。纳米车在这种马达的作用下能够缓缓的做定向的运动,但是运动的速率非常慢,未来对在光致异构的过程中是否能量转移到了金属层,是否马达有足够的能量在表面运动,如何提高这种纳米车的运动速度。近年来,科学家在设计纳米级车辆方面取得了很大的进步,其中包括装有巴基球轮子的NanoCar。

    编辑摘要

    目录

    发展简史/纳米汽车 编辑

    纳米汽车纳米汽车

    人类可以用小的机器制作更小的机器,最后将逐个地排列原子,制造产品。这是著名物理学家诺贝尔获得者理查德·费曼1959年对纳米技术的最早梦想。从此,人类就开始了对纳米世界的探求。近来很多研究致力于分子机器的合成,用于实现特定的任务。基于此,美国莱斯大学2005年制造出第一个分子汽车,同宏观的汽车是为了将人送到某个固定的地方一样,未来这种车辆可用来运输单个的分子,可成为“纳米生产”中的有用工具。2006年又有人提出一种带分子马达的纳米汽车。

    基本特点/纳米汽车 编辑

    这种车辆只有不过3到4纳米见方比单股的DNA稍宽,而一根头发的直径大约是8万纳米。这种纳米汽车1克的材料就可以装载约1000毫克的药物分子,因为体积小,所以能在器官和血管中自由通行。它外形好似布满规则小孔的“空心球”,里边裹挟着药物,当纳米送药车在体外磁场的作用下抵达患处,然后经过调节患处酸碱度或离子强度,纳米汽车的“外衣”就会脱去,小车上装载的药物就被释放出来。研究人员希望这种特殊的交通工具能够被用于分子构造领域。改进后的纳米车能够承载一个分子的“货物”,在纳米工厂之间运送原子和分子。它包括底盘,车轴(它利用一种三合体作轴,连接每个轮子的轴都能独立转动,使得这种车能够在凹凸不平的原子表面行进。)和富勒烯(又称巴基球,由60个碳原子组成)轮子,并验证了其运动是基于轮子的转动而不是通常分子间的粘滞摩擦作用。

    该纳米汽车放置在金片表面,先通过强电场将纳米

    生物纳米汽车生物纳米汽车

    车束缚在金片的表面,当温度上升到170℃以上时再去掉电场,这是纳米车辆就能像微型汽车一样运动。当环境温度在170摄氏度到220摄氏度之间时,纳米汽车既能直线运动,也能做旋转,而这种旋转是发生在与轴垂直,说明这种平移方向与分子取向有关。而对于此时的纳米汽车有两个不可忽略的现象:一,纳米车初始运动的方向选择没有确定性,对于平齐的相同的几辆纳米车,有的会向前运动有的会向后运动,而这种运动离我们利用纳米汽车定向的输送分子的目的不符。二,纳米汽车运动起来后虽然会一直沿着某个大方向运动,但是中间总会有小的转弯现象,其可能的原因首先殊车轴特殊的几何结构所致,因为四个轮子并不是像宏观汽车的轮子运动方式相同,而是各自可以独立的运动,这样运动会导致运动方向的不稳定性,其次因为汽车源源不断运动的动力来源于加热,由热运动导致的纳米汽车小范围的涨落也会对方向的偏转有一些影响。为了让纳米汽车更好的做定向运动,可以使用STM探针直接驱动的图像。可以用加热诱导或者直接通过STM机探针操控,但是对于真正可以使用的定向运动的纳米车,这些方式都有致命的缺陷。对于加热诱导,其前后运动方向性不确定,而对于STM探针操控,对成千上万的纳米汽车是不可能的,因此我们想到是否能像宏观汽车一样给纳米车装上马达,对于纳米车作定向运动马达的机制一直是科学家在寻找的难题。有一种可能的分子马达的运动机制,在其中间部位有一个短臂,在光照和加热底板的作用下,起着激励的作用,它不停的在基底上划动从而带动轮子转动。

    光致纳米汽车/纳米汽车 编辑

    生物纳米汽车

    纳米汽车纳米汽车

    到现在人们已经发展了各种分子马达,但由Feringa等设计的单向马达其应用最广,其具备以下几点:它可以实现重复转动;使用光和热(35-65℃)作为动力源;可以实现单向运动;其功能的实现不需要复杂的转动;即使在金属表面也可以运动。这个结构不同于前面的富勒烯结构的分子汽车,作者选择P型碳硼烷车轮是因为发现在富勒烯存在时,Feringa马达是完全不起作用的,可能是因为马达激发态向富勒烯的能量转移比其马达的转动快得多。纳米汽车所有部件的选择都是为了能通过STM观察到其在原子表面平动的现象。首先,选择p型碳硼烷作车轮,因为它具有三维近球状构造,并且不吸收365nm的光,这种光是分子汽车的动力源,而且我们可以证明的是,他们不会过早的淬灭马达进行的光化学过程。第二,炔烃已被用来作为车轴因为他们的对能源的吸收也是充分低的。纳米车在这种马达的作用下能够缓缓的做定向的运动,但是运动的速率非常慢,未来对在光致异构的过程中是否能量转移到了金属层,是否马达有足够的能量在表面运动,如何提高这种纳米车的运动速度。 更重要的研究是寻找出准确控制其运动的方式,这样可以用来生产复杂的材料或药物。

    最新成果Nanodragster/纳米汽车 编辑

    光致纳米汽车光致纳米汽车

    最近,美国德克萨斯州的科学家成功研制出了只有人体头发直径五万分之一大小的汽车“Nanodragster”。这辆世界上最小的汽车为研发未来新一代分子机器铺平了道路。这项重要成果的研究报告发表在了最新一期的美国《有机快报》双周刊上。

    Nanodragster比之前设计的纳米车—NanoCar小得多,而且性能也比NanoCar好。研制Nanodragster的詹姆斯·托尔和凯文·凯利注意到,控制小分子运动的能力对于改进分子机器的性能非常重要,分子机器的研制可能对未来制造计算机电路和其他电子元件方面很有价值。

    近年来,科学家在设计纳米级车辆方面取得了很大的进步,其中包括装有巴基球轮子的NanoCar。“巴基球”是由60个碳原子构成的纳米级球状分子,具有很多新奇特性。NanoCar的尺寸约为4x3纳米,不到头发丝直径的1/20000,却有四个球形轮子,还拥有完整的底盘和轮轴。托尔等人当时预计,NanoCar的主要功能是让NanoCar承载有效载荷从A点移动到B点。

    NanoCar暴露在高温或电场梯度环境中可以快速行驶,但人们对它的运动控制是有限的。这些缺点导致NanoCar不能被广泛使用,其最大的限制因素是缺乏用于研究运动和能力范围的纳米工具。新的微型汽车Nanodragster解决了这些问题。Nanodragster车前端有一个小轴,车轮用特殊材料制成,滚动比较容易。后轮仍然是由巴基球制成,但车轴较长,增强了表面附着力。托尔表示,Nanodragster与普通纳米汽车相比最大的优势是能在较低的温度下运行,而且具有更好的灵活性,为研制更好的分子机器铺平了道路,并加快了研制步伐。

    学科分支/纳米汽车 编辑

    纳米技术之纳米笔

    这种新型纳米笔能画出40纳米宽度的线条,这是红血球直径的1/100.它是利用毛细作用来保持笔管中的液体流动,笔管连接着一个很小的“墨水库”。它还是支多用途的笔,能够储存多种不同的墨水,从绘画颜料到生物原料。虽然首批纳米笔早已诞生,但它们不能储存墨水,而且必须蘸进墨水中才能使用。

    这种笔的笔尖是由钻石材料制成,或者是外表复盖有钻石层的硅,它被粘贴在一个笔杆上。因此笔尖将非常耐用。由于新型纳米笔是用标准的微制造技术制成,因此能够大批量生产。纳米笔能够与微粒子显微镜结合,让科学家在观察纳米微观世界的同时,在上面“作画”。科学家希望,它最终能够被用于制造蛋白质排列和复杂的半导体。

    纳米技术之发动机

    这台发动机由置于纳米碳管基座上的两滴液体物质构成,利用液体的表面张力工作。发动机长度有200纳米。它由固定在多层纳米碳管基座上的一大一小两滴滴液态铟构成,直径分别为90纳米和30纳米。其工作原理是液体的张力特性:由于物体体积越小表面张力的作用越明显,在微米尺度以下表面张力则占统治地位。

    在外加电场的作用下大液滴向小滴沿基座传送原子,小液滴变大而大滴变小,直到两滴相触完成收缩过程。接触后在表面张力的作用下,大滴迅速吞噬小滴,完成舒张过程。在这一过程中,能量转变会产生动力。在外加电场的作用下这个装置可以持续工作。这一装置产生的能量虽然只有20微瓦,但是这和它的个头比起来已经相当高效。

    应用领域/纳米汽车 编辑

    仿生学 单分子输运 分子马达 生物医药

    大量的“纳米车辆”组成“纳米生产线”,这种由底层开始加工的生产线,效率将会远远超过目前的生产线

    科学家们解释称,分子机器指由分子尺度的物质构成、能行使某种功能的机器,其构件主要是蛋白质等生物分子。因其尺寸多为纳米级,又称生物纳米机器,具有小尺寸、多样性、自指导、有机组成、自组装、准确高效、分子柔性、自适应、仅依靠化学能或热能驱动、具有其它人造机器难以比拟的性能,因此研究分子机器具有重大意义,它可以促进生物学的发展,深入认识蛋白质分子机器机制,开发生物分子机器并促进仿生学发展。

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