分子马达

要想获得微观世界里的可以装配原子的机器，首先我们需要造出它的各个零部件。这一点和我们日常生活中所见到的机器的制造没有太大的区别，只不过这回我们要制造的部件要小得多。

平常我们见到的很多机器都有齿轮，我们能不能造出纳米尺度的齿轮呢？据海外媒体报道，日本东京大学已经研制成功了世界上第一个可自动控制转速的分子齿轮。

据介绍，这种分子齿轮的结构是在两个直径约为1纳米的卟啉分子中间夹一个直径约为0.1纳米的金属离子。卟啉分子主要存在于植物的叶绿素中。将卟啉分子和金属离子放人一种溶液中，并在特定的条件下将这种溶液加热，就可以制成分子齿轮。

日本专家介绍说，如果要达到实用化的目的，就必须将多个单独旋转分子齿轮结合起来，组成一个力的传动系统。因此，研究小组必须进一步研究分子齿轮的组合技术。

要想让我们得到的小机器能够工作，必须给它提供动力，这就需要制造一个小马达——分子马达。两位旅美中国学者已经在分子马达研究领域取得新的突破，首次利用单个DNA分子制成了分子马达。这一成果使得纳米器件向实用化方面又迈进了一步。

科学家曾经利用多个DNA分子制造出了分子马达，但这些马达存在着效率不高、难以控制的缺陷。美国佛罗里达大学教授谭蔚泓和助理研究员李建伟新研制出的分子马达，采用的是人工合成的单个杂交DNA分子。这种分子在一种生物环境中处于紧凑状态，但在生物环境发生变化后，又会变得松弛。谭蔚泓和李建伟进行的实验证实，采用这一原理制造出的单DNA分子马达具有非常强的工作能力，可以像一条虫子一样伸展和卷曲，实现生物反应能向机械能的转变。谭蔚泓等的成果已经在美国《纳米通讯》杂志上发表。

“在紧凑和松弛这两个状态之间进行变化，使得分子可以做功，从而可以把一些小物体从一个地方搬运到另一个地方。”谭蔚泓接受新华社记者采访时解释说。他认为，这一特性使得“分子马达可以为未来的纳米器件提供一种能量源泉”。

DNA是生物遗传物质的载体。DNA分子马达的优点是可以直接将生物体的生物化学能转换成机械熊，而不像通常意义上的马达需要电力。因此，从理论吐说，DNA分子马达可以借助一些生物化学变化而进行药物和基因等的传递，比如说，将药物分子直接输送至癌细胞的细胞膜。与多分子DNA马达相比，单DNA分子马达应用起来更为方便。谭蔚泓等的研究成果使得分子马达离实际应用更近。

研究人员指出，他们采用人工合成的单DNA分子来制造分子马达还有一个好处，即可以根据不同要求而有针对性地设计出DNA分子，使制造出的马达具备各种性能。他说：“这些马达可以有不同的效率，并且可能从而把物体搬运到更远的距离。”

现在还很难预测分子量级的马达什么时候能真正投入实用。科研人员的下一步目标，是要让单DNA分子马达真正移动一个微小物体，并进一步提高其工作效率。

此外，康奈尔大学的科学家把一些镍制螺旋桨安装在400个分子马达的中轴上。当把这些马达浸入三磷酸腺苷溶液中时，有395个马达没有动静，但是有5个开始旋转，使螺旋桨能够以每秒钟8转的速度旋转。该大学生物工程教授卡洛·蒙泰马尼奥说：“这是一台真正的纳米机器。”

由于这台马达也是从给细胞提供能量的分子中获得能量，所以蒙泰马尼奥教授认为有朝一日科学家也许能够制造出比细菌还小的机器人。这类机器人将能够修复细胞损伤，制造药物并且攻击癌细胞。

这些螺旋桨的长度为750纳米，这使研究人员能够用摄像机拍摄下螺旋桨的旋转。在一段录像中能够看到一粒尘埃被吸人螺旋桨中，后来又被打了出来。

研究人员说：“今天是螺旋桨，明天我们就能把其他的东西安装在马达上。这项技术现在正朝着实用的方向发展，这为制造在细胞中运转的机器打开了大门。它将使我们把设计好的装置与生命系统融合起来。”

《科学》杂志还描述了另外一种微观运动：一块锡在化学。力的推动下，像变形虫一样在铜的表面四处游走，留下一条由铜的合金组成的纤细轨迹。

桑迪亚国家实验所的诺曼·巴特尔特博士说：“锡块仿佛活了一样，在铜的表面到处找食吃。它会运动到光洁的区域，吃下表层的铜原子同时吐出以合金形式存在的铜原子。在微观世界中这种没有生命的系统竟然能够模仿生命系统真是令人感到惊奇。”

附在这篇研究报告后的评论说，实验中锡块的运动可以看成一种新的纳米马达，这个马达把化学能转化成机械能的效率大致与汽车的效率相当。

康奈尔大学的研究工作把几年来纳米技术研究的两个方向结合了起来。正如电子工程师把越来越小的晶体管刻到芯片上一样，纳米技术科学家也造出了越来越薄的雕刻晶，其中包括杠杆、柱子、悬空的电线和宽度为100个硅原子的一个吉他模型。但是，如果没有办法使它们运动，这些结构充其量也只能算微型艺术晶。

美国哈佛大学前不久研制出一种新型的微型工具，它成功地抓住了直径约500纳米的聚苯乙烯原子团，人们称它为纳米镊子。

这种镊子终有一天将成为微细工程的得力工具，如用来拨弄生物细胞，制造纳米机械，进行显微外科手术，也可以从大量缠住的导线上取下20纳米线宽的半导体导线等等。这种镊子的工作端是一对由电控制的纳米碳管。由于纳米碳管不仅强度高，而且导电性好，因此也可用于测量，例如测量纳米组织的电阻。

以前，日本科学家曾研制出一对化学镊子，也能一次夹起一个分子。但这种化学镊子只能识别和紧紧夹住特定的分子即糖分子，对其他分子则“无能为力”。而哈佛大学的这种镊子则可以夹住任何分子。

如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。将来这种镊子还可以成为纳米机械的一个组成部分。科学家的最新研究成果是，用DNA制造出了一种纳米级的镊子。