Созданы самые маленькие в мире наноразмерные роторы, приводимые в движение потоком
Исследователи из Делфтского технического университета (TU Delft) создали самые маленькие в мире двигатели, приводимые в движение потоком. Вдохновлённые знаменитыми голландскими ветряными мельницами и биологическими моторными белками, они создали из ДНК самоорганизующийся ротор, который преобразует энергию электрического или солевого градиента в полезную механическую работу. Результаты открывают новые перспективы для разработки активных робототехнических систем на наноуровне. Статья опубликована в Nature Physics.
Сложная конструкция
«Синтетическое создание роторных нанодвигателей до сих пор оставалось труднодостижимой целью», — говорит доктор Синь Ши, первый автор публикации.
Двигатель, приводимый в движение потоком, изготовлен из материала ДНК. Эта структура закреплена на нанопоре (крошечном отверстии) в тонкой мембране. Пучок ДНК толщиной всего 7 нанометров самоорганизуется под действием электрического поля в конфигурацию, подобную ротору, которая затем приходит в устойчивое вращательное движение со скоростью более 10 оборотов в секунду.
ДНК-оригами
«Мы используем технику, называемую ДНК-оригами», — добавляет профессор Сес Деккер, руководивший исследованием. Эта техника использует специфическое взаимодействие комплементарных пар оснований ДНК для создания 2D и 3D нанообъектов.
Роторы используют энергию потока воды и ионов, который создаётся приложенным напряжением или даже проще: за счёт разной концентрации соли по обе стороны мембраны. Последний является одним из самых распространённых источников энергии в биологии, питающих различные критические процессы, такие как синтез клеточного топлива и движение клеток.
Решение головоломки
Это достижение стало вехой, поскольку это первая в мире экспериментальная реализация наноразмерных роторов, приводимых в движение потоком. Однако, когда исследователи впервые наблюдали вращение, они были озадачены.
Головоломку помог решить теоретик Рамин Голестанян и его команда из Института динамики и самоорганизации Макса Планка. Их моделирование раскрыло увлекательный процесс самоорганизации, в котором пучки спонтанно деформируются в хиральные роторы, которые затем связываются с потоком из нанопор.
От простоты к рациональному дизайну
«Этот процесс самоорганизации действительно показывает красоту простоты», — говорит Ши.
Техника и физический механизм, лежащие в её основе, устанавливают совершенно новое направление в создании синтетических нанодвигателей: нанотурбин, приводимых в движение потоком, — удивительно малоизученную учёными и инженерами область.
На следующем этапе (описанном в препринте) группа использовала полученные знания для создания первого рационально спроектированного наноразмерного двигателя-турбины.
«Мы начали с простой вертушки, а теперь можем воссоздать прекрасные голландские ветряные мельницы, но размером всего 25 нм — размером с один белок в вашем теле, — и продемонстрировали их способность нести нагрузку», — говорит Ши.
«Направление вращения теперь задавалось спроектированной хиральностью, — добавляет Деккер. — Левосторонние турбины вращались по часовой стрелке; правосторонние — против».
Паровой двигатель наноэры
Результаты открывают новые перспективы для разработки активной наноробототехники.
«То, что мы продемонстрировали здесь, — это наноразмерный двигатель, который действительно способен трансформировать энергию и совершать работу. Можно провести аналогию с изобретением парового двигателя в XVIII веке. Кто мог тогда предсказать, как он коренным образом изменит наши общества? Возможно, мы сейчас находимся в аналогичной фазе с этими молекулярными нанодвигателями. Потенциал безграничен, но предстоит ещё много работы», — заключает Ши.