Mød de nanomaskiner, der kunne drive en medicinsk revolution

En gruppe fysikere byggede for nylig den mindste motor, der nogensinde er skabt af kun et enkelt atom. Som enhver anden motor omdanner den varmeenergi til bevægelse - men den gør det i mindre skala end set før. Atomet er fanget i en kegle af elektromagnetisk energi, og lasere bruges til at varme det op og afkøle det, som får atomet til at bevæge sig frem og tilbage i keglen som et motorstempel.

Forskerne fra University of Mainz i Tyskland, der står bag opfindelsen, har ikke en særlig brug for motoren. Men det er en god illustration af, hvordan vi i stigende grad er i stand til at replikere de daglige maskiner, vi stoler på i en lille skala. Dette åbner vejen for nogle spændende muligheder i fremtiden, især ved brug af nanorobotter i medicin, der kunne sendes ind i kroppen for at frigive målrettede lægemidler eller endda bekæmpe sygdomme som kræft.

Nanoteknologi beskæftiger sig med ultrasmå objekter svarende til en milliarddel af en meter i størrelse, hvilket lyder en umulig lille skala til at bygge maskiner på. Men størrelsen er i forhold til, hvor tæt du er på et objekt. Vi kan ikke se tingene på nanoskalaen med det blotte øje, ligesom vi ikke kan se de ydre planeter i solsystemet. Men hvis vi zoomer ind-med et teleskop til planeterne eller et kraftigt elektronmikroskop til nano-objekter-så ændrer vi referencerammen, og tingene ser meget anderledes ud.

Imidlertid, selv efter at have kigget nærmere på, vi kan stadig ikke bygge maskiner på nanoskala ved hjælp af konventionelle ingeniørværktøjer. Mens almindelige maskiner, såsom forbrændingsmotorer i de fleste biler, fungere i henhold til fysikkens regler fastsat af Isaac Newton, ting på nanoskalaen følger kvantemekanikkens mere komplekse love. Så vi har brug for forskellige værktøjer, der tager hensyn til kvanteverdenen for at manipulere atomer og molekyler på en måde, der bruger dem som byggesten til nanomaskiner. Her er yderligere fire små maskiner, der kan have stor indflydelse.

Grafenmotor til nanorobots

Forskere fra Singapore har for nylig demonstreret en enkel, men nano-størrelse motor fremstillet af et meget elastisk stykke grafen. Grafen er et todimensionalt ark med carbonatomer, der har enestående mekanisk styrke. Indsættelse af nogle chlor- og fluormolekyler i grafengitteret og affyring af en laser på det får arket til at ekspandere. Hurtig tænding og slukning af laseren får grafen til at pumpe frem og tilbage som stemplet i en forbrændingsmotor.

Forskerne mener, at grafen-nanomotoren kunne bruges til at drive små robotter, for eksempel at angribe kræftceller i kroppen. Eller det kan bruges i en såkaldt "lab-on-a-chip"-en enhed, der krymper funktionerne i et kemilaboratorium til en lille pakke, der kan bruges til hurtige blodprøver, blandt andet.

Friktionsfri nano-rotor

Rotorerne, der producerer bevægelse i maskiner som flymotorer og blæsere, lider normalt alle af friktion, hvilket begrænser deres ydeevne. Nanoteknologi kan bruges til at skabe en motor fra et enkelt molekyle, som kan rotere uden friktion. Normale rotorer interagerer med luften i henhold til Newtons love, når de snurrer rundt og oplever friktion. Men, på nanoskala, molekylære rotorer følger kvanteloven, hvilket betyder, at de ikke interagerer med luften på samme måde, og derfor påvirker friktion ikke deres ydeevne.

Naturen har faktisk allerede vist os, at molekylære motorer er mulige. Visse proteiner kan bevæge sig langs en overflade ved hjælp af en roterende mekanisme, der skaber bevægelse fra kemisk energi. Disse motoriske proteiner er det, der får celler til at trække sig sammen og er derfor ansvarlige for vores muskelbevægelser.

Forskere fra Tyskland rapporterede for nylig om at skabe en molekylær rotor ved at placere bevægelige molekyler inde i et lille sekskantet hul kendt som en nanopor i et tyndt stykke sølv. Molekylernes position og bevægelse betød, at de begyndte at rotere rundt om hullet som en rotor. Igen, denne form for nanomotor kunne bruges til at drive en lille robot rundt om kroppen.

Kontrollerbare nano-raketter

En raket er det hurtigste menneskeskabte køretøj, der frit kan rejse over universet. Flere grupper af forskere har for nylig konstrueret en højhastigheds, fjernstyret nanoskalaversion af en raket ved at kombinere nanopartikler med biologiske molekyler.

I et tilfælde, raketens krop var lavet af en polystyrenkugle dækket af guld og krom. Dette blev knyttet til flere "katalytiske motor" -molekyler ved hjælp af DNA -strenge. Når den placeres i en opløsning af hydrogenperoxid, motormolekylerne forårsagede en kemisk reaktion, der frembragte iltbobler, tvinger raketten til at bevæge sig i den modsatte retning. Skinner en stråle af ultraviolet lys på den ene side af raketten får DNA'et til at bryde sammen, afmontering af motorerne og ændring af rakettens kørselsretning. Forskerne håber at udvikle raketten, så den kan bruges i ethvert miljø, for eksempel at levere medicin til et målområde af kroppen.

Magnetiske nanokøretøjer til transport af stoffer

Min egen forskergruppe er blandt dem, der arbejder på en enklere måde at bære medicin gennem kroppen, der allerede er ved at blive undersøgt med magnetiske nanopartikler. Lægemidler injiceres i en magnetisk skalstruktur, der kan ekspandere i nærvær af varme eller lys. Det betyder at, en gang indsat i kroppen, de kan føres til målområdet ved hjælp af magneter og derefter aktiveres for at udvide og frigive deres lægemiddel.

Teknologien undersøges også til medicinsk billeddannelse. Oprettelse af nanopartikler til at samle sig i visse væv og derefter scanne kroppen med en magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) kan hjælpe med at fremhæve problemer som diabetes.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.