纳米火车

美国科学家正在制造世界上最小的火车——纳米火车。这种纳米火车以神经细胞中的微管片段为车厢，以牛脑中的驱动蛋白为牵引机车，可以在特定的轨道上运行，虽然现在还不能实现装卸货物的目的，但科学家正在试图这样做，并且取得了很好的结果。如果成功，那么人类向着实现纳米级自组装工厂这一目标又迈出了一步。

在美国华盛顿大学的实验室中，科学家维奥拉·福格尔用微管的片段制造微小车厢，这些蛋白质管道只有人头发直径的0.1％，在神经细胞中纵横交错地分布着。他把这些细丝切成微小的片段，然后把它们放到用薄薄的特氟隆(一种化学材料，可以用来做不粘锅的涂层)做成的轨道上，这些微小的车厢就会开始奔驰。

纳米火车也许是一场工业革命的关键。1986年，技术预言家埃里克·德雷克斯勒在《创世的引擎》一书中描述了一个分子机器取代工厂的世界。这些微小的“装配者”将利用一桶一桶的原料，一个分子一个分子地制造出包括计算机和汽车在内的各种东西。在这个世界里，纳米机器人自我复制并且自我维修，由于它们是并行工作的，因此速度很快而且廉价得令人难以置信。德雷克斯勒说，有朝一日人们将培育从塑料到火箭发动机等各种东西。这就是福格尔制造纳米火车的意义。尽管他并不认为这些火车会造出计算机芯片或者单枪匹马地把我们带人德雷克斯勒幻想的世界，但他的纳米火车也许会首次填补纳米技术领域没有动力装置的这个空白。

在纳米机器还不能自我复制的情况下，还很难想像如何制造出第一台纳米机器。尽管我们已有很多绝妙的纳米组件——比如用硅做成的轮子和用碳做成的纳米管，目前仍然没有可靠的方法运送这些组件并把它们准确无误地放置在指定的地方装配它们。

要想使纳米火车顺利地跑起来，就要给它合适的动力。其实所有的动物和植物的细胞都含有一个运输网络，这个网络把原料、成品和垃圾运送到目的地。这些通道是宁些称为微管的蛋白质长杆。微小的分子汽车在这些微管中行驶，把化学物质从一个地点拖到另一个地点。在身体最长的细胞延伸物即神经纤维中就布满了这样的微管。

华盛顿大学生物化学系的约纳顿·霍华德正在研究牛脑细胞中驱动蛋白的分子机理。驱动蛋白是一种细长的蛋白质，这种分子的一端有两条短粗的“腿”，另一端有两个肥大的“头”，它能够顺着微管“走动”，每次走一步。在它的被称为泡囊的薄膜袋中携带着化学物质。驱动蛋白每步跨出的距离只有区区8纳米。一条“腿”附着在微管上的同时，另外一条“腿”向前摆动，跨出一小段距离并藩在微管上。霍华德已发现向前摆动的力量是由ATP分子中的能量提供的。他还发现，当驱动蛋白行走时，每个分子能使出6×10-9牛顿的力。在纳米层次上，这个力很大，足以把一根结实的微管折成两段。这使驱动蛋白成为驱动福格尔纳米火车的理想发动机。多年来，研究分子马达的科学家已能够使微管在涂有驱动蛋白的微小滑道上漫无目的地四处运动。

但是随机运动没有佧么用处，因此福格尔设计了一种制造微小轨道的方法引导他的小火车。他用一块不粘锅常用的特氟隆摩擦一条玻璃滑道的表面，结果得到一些大约25微米高的由特氟隆分子组成的平行山脊，这些山脊的间距大致相同。最后，他把驱动蛋白分子铺到滑道上，再把火车放在滑道上。通过显微镜看到的景象与鸟瞰一个繁忙的火车货场相似。发着光的微管火车相互平行地行驶，或者逆向而行，彼此分离。偶尔会有一个微管似乎要切换轨道，转到左边或右边，但随后这些微管又会与其他微管一样平行运动。

为了组装分子齿轮、分子马达等各种各样的东西，必须把每个组件送到指定的精确地点。福格尔和霍华德构想他们的火车应该是这样工作的：在一个货场装载组件，把组件卸到组装地点，然后再回来运送更多的组件。在运送的货物中，可能会用到纳米管。尽管离真正的分子组装还有很长的距离，可是福格尔下一步工作并不太复杂。他首先要证明他的火车能够运送东西。因此这种火车运送的第一种东西将是易于看见的微小光珠。福格尔希望在一年左右看到这些光珠搭载在纳米火车上四处奔驰。通过在逆向行驶的火车上装载颜色不同的光珠，福格尔还可能看到货物能够以多近的距离携带，以及它们是否能够在不脱轨的情况下碰撞——这在实际组装中是非常重要的。

由于这些火车只是刚刚设计好，因此福格尔说现在还难以知道它们首先将在哪方面得到应用。这些应用很可能与某种装配线有关。为了使装配线能够工作，纳米火车还需要更多的组件和控制。

到目前为止，还没有办法使纳米火车向后倒车。因此使纳米火车回到装配线的起点也许需要一条简单的环线。但是纳米火车的速度应该是容易控制的。目前这种纳米火车的最高速度为每秒钟1微米，如果把这些火车周围的ATP减少，车速就会降下来。

在纳米世界中，如果要使用大批纳米机器人把一堆化学物质转变成一艘飞船，人们就需要像纳米火车这样的东西。对科学家来说，纳米火车只是实现幻想的过程之一。