Инженеры создали самый маленький и быстрый в мире наномотор
Исследователи из Инженерной школы Кокрелла Техасского университета в Остине построили самый маленький, быстрый и долго работающий синтетический микромотор на сегодняшний день. Этот наномотор — важный шаг к созданию миниатюрных машин, которые однажды смогут перемещаться по телу, чтобы вводить инсулин диабетикам по необходимости, или нацеливаться на раковые клетки и лечить их, не повреждая здоровые клетки.
С целью обеспечить энергией эти ещё не изобретённые устройства, инженеры сосредоточились на создании надёжного, сверхбыстрого наномотора, способного преобразовывать электрическую энергию в механическое движение в масштабе в 500 раз меньше, чем крупинка соли.
Доцент кафедры машиностроения Донглей «Эмма» Фан возглавила команду, успешно спроектировавшую, собравшую и протестировавшую высокопроизводительный наномотор в небиологической среде. Трёхкомпонентный наномотор команды может быстро смешивать и перекачивать биохимические вещества и перемещаться в жидкостях, что важно для будущих применений. Исследование было опубликовано в апрельском выпуске журнала Nature Communications.
Команда Фан первой достигла чрезвычайно сложной цели — спроектировать наномотор с большой движущей силой.
При всех размерах менее 1 микрона наномотор может поместиться внутри человеческой клетки и способен вращаться непрерывно в течение 15 часов со скоростью 18 000 об/мин, что сопоставимо со скоростью двигателя реактивного самолёта. Сравнимые наномоторы работают значительно медленнее — от 14 до 500 об/мин — и вращались лишь от нескольких секунд до нескольких минут.
В перспективе наномоторы могут продвинуть область наноэлектромеханических систем (NEMS), которая фокусируется на создании миниатюрных машин, более энергоэффективных и менее дорогих в производстве. В ближайшем будущем, по мнению исследователей, их наномоторы могут предложить новый подход к контролируемой доставке биохимических препаратов в живые клетки.
Чтобы проверить способность высвобождать лекарства, исследователи покрыли поверхность наномотора биохимическими веществами и запустили вращение. Они обнаружили, что чем быстрее вращался наномотор, тем быстрее высвобождались препараты.
«Нам удалось установить и контролировать скорость высвобождения молекул с помощью механического вращения, что означает, что наш наномотор является первым в своём роде для контроля высвобождения лекарств с поверхности наночастиц», — сказала Фан. — «Мы считаем, что это поможет продвинуть исследования в области доставки лекарств и межклеточной коммуникации».
Исследователи решают две основные проблемы наномоторов на сегодня: сборку и управление. Команда построила и управляла наномотором с помощью запатентованной методики, которую Фан изобрела во время учёбы в Университете Джонса Хопкинса. Методика использует переменные (AC) и постоянные (DC) электрические поля для сборки частей наномотора одну за другой.
В экспериментах исследователи использовали эту технику, чтобы включать и выключать наномоторы, а также задавать вращение по или против часовой стрелки. Они обнаружили, что могут располагать наномоторы в определённом порядке и двигать их синхронно, что делает их более мощными и гибкими.
Фан и её команда планируют разработать новые механические средства управления и химические сенсоры, которые можно интегрировать в наноэлектромеханические устройства. Но сначала они намерены протестировать свои наномоторы рядом с живой клеткой, что позволит Фан измерить, как они доставляют молекулы контролируемым образом.