Ingeniører bygger verdens mindste, hurtigste nanomotor

Forskere ved Cockrell School of Engineering ved University of Texas i Austin har bygget den mindste, den hurtigste og længst kørende lille syntetiske motor til dato. Holdets nanomotor er et vigtigt skridt i retning af at udvikle miniaturemaskiner, der en dag kan bevæge sig gennem kroppen for at administrere insulin til diabetikere, når det er nødvendigt, eller målrette og behandle kræftceller uden at skade gode celler.

Med det mål at drive disse enheder, der endnu ikke er opfundet, UT Austin ingeniører fokuserede på at bygge en pålidelig, ultra-high-speed nanomotor, der kan omdanne elektrisk energi til mekanisk bevægelse på en skala 500 gange mindre end et gran salt.

Adjunkt i maskinteknik Donglei "Emma" Fan ledede et team af forskere i det succesrige design, samling og test af en højtydende nanomotor i et ikke-biologisk miljø. Holdets tredelte nanomotor kan hurtigt blande og pumpe biokemikalier og bevæge sig gennem væsker, hvilket er vigtigt for fremtidige ansøgninger. Holdets undersøgelse blev offentliggjort i april-udgaven af Naturkommunikation .

Fan og hendes team er de første til at nå det ekstremt vanskelige mål at designe en nanomotor med stor drivkraft.

Med alle dens dimensioner under 1 mikrometer i størrelse, nanomotoren kunne passe ind i en menneskelig celle og er i stand til at rotere i 15 sammenhængende timer med en hastighed på 18, 000 RPM, hastigheden af ​​en motor i en jetflymotor. Sammenlignelige nanomotorer kører betydeligt langsommere, fra 14 RPM til 500 RPMs, og har kun roteret i et par sekunder op til et par minutter.

Ser frem til, nanomotorer kunne fremme området for nanoelektromekaniske systemer (NEMS), et område med fokus på at udvikle miniaturemaskiner, der er mere energieffektive og billigere at producere. I den nærmeste fremtid, Cockrell School-forskerne mener, at deres nanomotorer kan give en ny tilgang til kontrolleret biokemisk lægemiddellevering til levende celler.

For at teste dets evne til at frigive medicin, forskerne beklædte nanomotorens overflade med biokemikalier og startede spinding. De fandt ud af, at jo hurtigere nanomotoren roterede, jo hurtigere frigav den stofferne.

"Vi var i stand til at etablere og kontrollere molekylets frigivelseshastighed ved mekanisk rotation, hvilket betyder, at vores nanomotor er den første af sin slags til at kontrollere frigivelsen af ​​lægemidler fra overfladen af ​​nanopartikler, " sagde Fan. "Vi tror på, at det vil hjælpe med at fremme undersøgelsen af ​​lægemiddellevering og celle-til-celle-kommunikation."

Forskerne behandler to store problemer for nanomotorer indtil videre:samling og kontrol. Holdet byggede og drev nanomotoren ved hjælp af en patentanmeldt teknik, som Fan opfandt, mens han studerede på Johns Hopkins University. Teknikken er afhængig af AC og DC elektriske felter til at samle nanomotorens dele én efter én.

I eksperimenter, forskerne brugte teknikken til at tænde og slukke for nanomotorerne og drive rotationen enten med eller mod uret. Forskerne fandt ud af, at de kunne placere nanomotorerne i et mønster og flytte dem på en synkroniseret måde, hvilket gør dem mere kraftfulde og giver dem mere fleksibilitet.

Fan og hendes team planlægger at udvikle nye mekaniske kontroller og kemisk registrering, der kan integreres i nanoelektromekaniske enheder. Men først planlægger de at teste deres nanomotorer i nærheden af ​​en levende celle, som vil give Fan mulighed for at måle, hvordan de leverer molekyler på en kontrolleret måde.