Forskere skaber flow-drevne rotorer på nanoskala

Forskere fra TU Delft har konstrueret de mindste flow-drevne motorer i verden. Inspireret af ikoniske hollandske vindmøller og biologiske motorproteiner skabte de en selvkonfigurerende, flow-drevet rotor fra DNA, der omdanner energi fra en elektrisk eller saltgradient til nyttigt mekanisk arbejde. Resultaterne åbner nye perspektiver for konstruktion af aktiv robotteknologi på nanoskala. Artiklen er nu udgivet i Nature Physics .

Uhåndgribelig konstruktion

Roterende motorer har været kraftcentrene i menneskelige samfund i årtusinder, fra vindmøller og vandhjul til nutidens mest avancerede havvindmøller, der driver fremtiden for grøn energi. "Disse roterende motorer, drevet af et flow, har også en fremtrædende plads i biologiske celler. Et eksempel er FoF1-ATP-syntasen, som producerer det brændstof, som cellerne skal bruge for at fungere. Men den syntetiske konstruktion på nanoskalaen er indtil videre forblevet uhåndgribelig." siger Dr. Xin Shi, postdoc i laboratoriet hos prof. Cees Dekker i afdelingen for Bionanoscience på TU Delft.

"Vores flow-drevne motor er lavet af DNA-materiale. Denne struktur er forankret på en nanopore, en lille åbning, i en tynd membran. DNA-bundtet, kun 7 nanometer tykt, organiserer sig selv under et elektrisk felt til en rotorlignende konfiguration, som efterfølgende sættes i en vedvarende roterende bevægelse på mere end 10 omdrejninger i sekundet," siger Shi, førsteforfatter til publikationen i Nature Physics .

DNA-origami

"I syv år har vi forsøgt at bygge sådanne roterende nanomotorer syntetisk nedefra og op. Vi bruger en teknik kaldet DNA-origami, i samarbejde med Hendrik Dietz's laboratorium fra det tekniske universitet i München," tilføjer Cees Dekker, der har overvåget forskningen. . Denne teknik bruger de specifikke interaktioner mellem komplementære DNA-basepar til at bygge 2D og 3D nano-objekter. Rotorerne udnytter energi fra en vand- og ionstrøm, der etableres gennem en påført spænding eller endnu enklere:ved at have forskellige saltkoncentrationer på de to sider af membranen. Sidstnævnte er en af ​​de mest udbredte energikilder i biologi, der driver forskellige kritiske processer, såsom cellulær brændstofsyntese og cellefremdrift.

Løsning af et puslespil

Denne præstation er en milepæl, da det er den første nogensinde eksperimentelle realisering af flow-drevne aktive rotorer på nanoskala. Da forskerne først observerede rotationerne, var de dog forundrede:hvordan kunne sådanne simple DNA-stænger udvise disse flotte, vedvarende rotationer? Puslespillet blev løst i diskussioner med teoretiker Ramin Golestanian og hans team på Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation i Göttingen. De modellerede systemet og afslørede den fascinerende selvorganiseringsproces, hvor bundterne spontant deformeres til chirale rotorer, der derefter kobles til strømmen fra nanoporerne.

Fra enkelthed til rationelt design

"Denne selvorganiseringsproces viser virkelig skønheden ved enkelhed," siger Shi. Men vigtigheden af ​​dette arbejde stopper ikke ved selve denne simple rotor. Teknikken og den fysiske mekanisme bag det etablerer en helt ny retning for at bygge syntetiske nanomotorer:flow-drevne nanoturbiner, som er et overraskende uudforsket felt af forskere og ingeniører. "Du ville blive overrasket over, hvor lidt vi vidste og opnåede med at bygge sådanne flow-drevne nanoturbiner, især i betragtning af den årtusinder gamle viden, vi har om at bygge deres makroskala modstykker, og de kritiske roller, de udfylder i selve livet," siger Shi.

I et yderligere trin (som er i fortryk) har gruppen brugt den viden, de lærte ved at bygge denne selvorganiserede rotor, til at gøre et næste vigtigt fremskridt:den første rationelt designede nanoskala turbine. "Ligesom hvordan videnskab og teknologi altid fungerer, startede vi fra et simpelt nålehjul, og er nu i stand til at genskabe de smukke hollandske vindmøller, men denne gang med en størrelse på kun 25 nm, på størrelse med et enkelt protein i din krop," siger Shi. , "og vi demonstrerede deres evne til at bære byrder."

"Og nu blev rotationsretningen sat af den designede chiralitet," tilføjer Dekker. "Venstrehåndede turbiner roterede med uret; højrehåndede roterede mod uret."

Dampmaskine

Dernæst, for bedre at forstå og efterligne motorproteiner såsom FoF1-ATP-syntase, åbner resultaterne nye perspektiver for konstruktion af aktiv robotteknologi på nanoskala. Shi:"Det, vi har demonstreret her, er en motor i nanoskala, der virkelig er i stand til at transducere energi og udføre arbejde. Du kunne tegne en analogi med den første opfindelse af dampmaskinen i det 18. århundrede. Hvem kunne dengang have forudsagt, hvordan den fundamentalt ændrede sig vores samfund? Vi er måske i en lignende fase nu med disse molekylære nanomotorer. Potentialet er ubegrænset, men der er stadig meget arbejde at gøre." + Udforsk yderligere

Første elektriske nanomotor lavet af DNA-materiale