Styrker nanoteknologi med verdens mindste motor

I nanoteknologiens lille verden, store skridt er sjældne. Men en nylig udvikling har potentialet til at forbedre vores liv massivt:en motor, der måler 200 milliardtedele af en meter, som kunne drive små robotter til at bekæmpe sygdomme i levende celler.

Livet i sig selv er bevis på den ekstreme effektivitet af nanoteknologi - manipulation af stof på molekylær eller atomær skala - hvor DNA, proteiner og enzymer kan alle betragtes som maskiner. Faktisk, forskere har formået at lave mikropropeller ved hjælp af bittesmå DNA-strenge. Disse tråde kan sys sammen så frit og præcist, at praksis er kendt som "DNA origami". Imidlertid, DNA-origami mangler kraft og operationshastighed (det tager tid, der kan måles i sekunder), reducerer dens robotfunktion.

Men vi har nu produceret nanomotorer, der kan betjenes med lysstråler til at arbejde stempler, pumper og ventiler. Lavet af guld nanopartikler bundet sammen af ​​et varmefølsomt kemikalie, vores maskiner er stærke, hurtig og enkel at betjene, gør dem yderst praktiske til fremtidige anvendelser.

Et af de største problemer, når man beskæftiger sig med lillebitte teknologi, er behovet for at skabe en stærk kraft for et objekt på nanoskala. Hvis du tænker på et menneske, der bevæger sig i vand, deres bevægelser er kun lidt begrænsede, og vandet føles flydende. Men forestil dig, hvad der ville ske, hvis den person krympede til en størrelse, der er hundrede tusinde gange mindre end en myre. Vandet ville føles utrolig tyktflydende. For at kunne bevæge sig med lethed på nanoskalaen, en "nanoperson" ville være nødt til at udøve en enorm kraft for deres størrelse. Billedet af en myre, i stand til at løfte flere gange sin egen vægt, kommer til at tænke på. Deraf navnet på vores opdagelse:aktiverende nanotransducere – eller ANT'er.

ANT'erne består af guld nanopartikler bundet af et termofølsomt materiale. Ved stuetemperatur, bindematerialet er afslappet og kan fyldes med vand, som skubber nanopartiklerne fra hinanden. Opvarmet med kun et par grader ved hjælp af en laser, materialet trækker sig sammen til en tynd skal, bringer nanopartiklerne tættere på hinanden og driver vandet ud. Så når det køler ned igen, vandet styrter ind igen og frastøder nanopartiklerne med enorm kraft. Myrerne fungerer som en lille, men kraftfuld fjeder, lagre og frigive store mængder elastisk energi med stor hastighed.

Nøglen til udviklingen af ​​ANT'erne var brugen af ​​laserlys. Ved at vælge den rigtige lysfarve til den rigtige størrelse af nanopartikler (i dette tilfælde grønt lys til guldnanopartikler) er det muligt at varme dem op meget hurtigt. I mørke, fordi de er så små, nanopartiklerne afkøles også meget hurtigt. ANT'erne kan derefter fungere inden for et mikrosekund. På samme måde som lys kan varme vand op for at drive dampmaskiner, vi kan bruge lys til at bygge et stempel til motorer på nanoskala.

Eksploderende myrer

"Det er som en eksplosion, " forklarer Tao Ding fra Cambridges Cavendish Laboratory:"Vi har hundredvis af guldkugler, der flyver fra hinanden på en milliontedel af et sekund, når vandmolekyler puster polymererne omkring dem op."

En oplagt anvendelse for denne nye fremgang vil være i praksis med mikrofluidik, som gør det muligt for et helt kemisk laboratorium at eksistere på en chip. Dette muliggør fremstilling af lægemidler og analyse af kemikalier med meget høj præcision. Imidlertid, mikrofluidik har været begrænset af behovet for omfangsrigt driftsudstyr såsom pumper og ventiler, som skal forbindes fysisk med rør til chippen.

De nye ANT'er kan bruges som bittesmå pumper og ventiler, der spredes i selve mikrofluidchippen og drives af små lysstråler uden behov for nogen fysisk forbindelse. Plus, størrelsen af ​​ANT'erne (200-400nm) svarer til størrelsen på de mindste pletter, som vi kan fokusere lyset i, som optimerer teknologien. Brug af ANT'er ville muliggøre meget mere komplekse mikrofluidiske designs i de næste par år.

Vi ser også på den samme tidsskala ved at bruge ANT'er til at producere stempler og i sidste ende motorer på nanoskala, ved at begrænse ANT'ernes bevægelse til en enkelt retning. I fremtiden, sådanne motorer kunne sætte os i stand til at fremstille specifikke materialer, og til sidst endda biler og huse, samt at give nanomotorer kraft til at arbejde med nanorobotter inde i levende celler. Små skridt for ANT'er kan betyde store spring for mennesker.

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