微觀世界里的發動機

王麟

一艘納米級大小的微型潛艇，滿載著幾位技藝精湛的醫生，在波濤洶涌的紅色大海里劈波斬浪。隨著心臟強勁地收縮與舒張，紅色大海咆哮怒吼，推動著微型潛艇迅速穿過幽長的隧道，向前飛奔，一直到達目的地——病人血管的病灶前面。這是1966年上映的美國好萊塢電影《神奇旅程》中令人驚心動魄而又目眩神迷的場景。

研究分子層面的納米技術，開始于150多年前，經過科學家們的不斷努力，這項技術在最近十多年來取得了很多進展，那些在50年前還屬于科學幻想的技術，如今正逐步變成現實。科學家們在微觀世界領域盡展才華，研發出種類繁多的微型馬達，在分子層面組裝納米大小的機器人，去執行人類在宏觀世界無法實施的任務。

納米馬達以及以此作為原動力的納米機器到底有何神奇之處，需要我們親眼去看看。

會變色的杯子

將納米材料應用于實際，古已有之，最著名的當屬考古發現的古羅馬時代的“萊克格斯杯”，距今約1 600年，是一只雙色高腳玻璃杯，能夠隨著光線變化顯示出不同的顏色。經過科學家研究才知道，玻璃材質里面摻雜了直徑50納米大小的金、銀等金屬顆粒，很顯然，這個玻璃杯采用了與現代納米科技相同的技術。然而，納米技術雖然在1 000多年前就得以應用，但是人們對其機理并不清楚，直到最近20多年里，納米技術才有了重大突破，并在很多領域得到廣泛應用。

起初來自物理學家的構想

納米技術包含的范圍很廣泛，除了納米材料之外，如今最受關注的焦點技術領域就是納米馬達。我們總是幻想能夠通過納米機器人進入人的身體內部，修復受損的組織，與入侵的病毒作斗爭，不再通過外科手術或者服用藥物來治療疾病，這也是未來醫學的發展方向。然而，納米機器人也需要驅動力，因此研發納米馬達是制造納米機器人的第一步。

提出“納米馬達”這個構想的，是美國物理學家理查德·費曼，他在1959年12月份加州理工學院舉辦的美國物理協會年會上，發表了“物質底層大有空間”的演講，還與同仁們打賭，聲稱沒有人能夠制造出尺寸小于400納米的馬達，賭金為1 000美元。

沒想到僅僅過了一年，美國電氣工程師威廉·麥克萊倫就制造出重量只有200微克、轉速達到每分鐘2 000轉的電氣馬達，尺寸滿足了費曼提出的苛刻要求。費曼的這次打賭雖然輸了，卻開創了納米新技術時代。

強大的動力使者

那么什么是納米馬達呢？科技工作者給納米馬達的定義是“能夠將化學能、光能、電能等轉化為運動動能或者驅動力的納米裝置”。

納米馬達的尺寸都很小，一般為幾個納米或者幾十納米，具備很多優點，比如重量輕、體積小、輸出推力大、功耗低、轉化效率高等，為體感監測、納米制造、納米裝配、納米自組裝和納米驅動等技術領域帶來革命性的進步，在納米電子學和納米醫療的定向精確輸送藥物方面，應用潛力和前景十分廣闊。

龐大的家族

如今，納米馬達屬于熱門技術研究領域，研制的微型馬達種類各異，形成了花樣繁多、性能不同的納米馬達家族。

按照使用原材料的不同，可分為固體材料納米馬達和合成生物分子材料納米馬達，除此之外，納米馬達研究還有一個很重要的分支，那就是直接研究存在于生物體中的分子馬達，并拿來直接使用，安裝在納米機器人中，為其提供動力。

第一類納米馬達以納米管和納米絲馬達為代表。早在2004年，美國賓夕法尼亞大學化學教授阿尤斯曼·森帶領團隊利用鉑金和黃金納米微粒研制成功大小只有2微米的納米馬達，通過水中稀釋的過氧化氫進行化學反應產生氣泡來提供動力。這類納米馬達不需要外部磁場、電場和光場提供能源，也能克服納米尺寸下的微粒受 布朗運動 的影響，而最大的缺點就是必須依賴水和過氧化氫，使其應用范圍受限，不能在試管之外得到推廣。第二類合成生物分子的納米馬達如今也已經取得了重大的技術突破，科學家們基于奇異合成分子，研發成功多種分子穿梭器和分子轉子等納米機械。

此外，還有按驅動方式將納米馬達分類的方法，可分為單分子酶類納米馬達和納米泵，以及通過光電能驅動的納米馬達等。

終極目標——納米機器人

研制納米馬達的最終目標，就是為了制造納米生物機器人，按照技術發展的先后順序，納米機器人的研發可分為三代，也是三個由低到高、由簡單到復雜的過程。第一代納米機器人是生物系統和機械系統的有機結合，結構部件用碳納米管，動力構件用分子馬達，關節用DNA構件；第二代納米機器人直接利用原子或者分子，裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置；第三代納米機器人則更進一步，在第二代的基礎上安裝上納米控制芯片以及納米計算機，為納米機器人創造一個更加寬廣的應用舞臺。

綠色環保的動力來源

“生物分子馬達”是由生物大分子構成，能將化學能轉化成機械能的納米系統，通過光電等外部刺激，使得分子結構發生較大的可控變化，從而對外提供機械能。我們人體細胞中就存在很多這類生物分子馬達，一般分為兩大類：蛋白質馬達和DNA馬達。

生物分子馬達最大的特點就是能夠主動地從周圍環境中捕獲ATP能量分子，借助微觀世界的熱漲落效應，來消耗ATP水解之后的化學能，從而實現對外做功。生物分子馬達的最令人驚嘆之處就是做功效率極高，能量轉化率可達到60%～100%，而一般的人造機器要是想實現化學能向機械能的轉化，必須借助熱力或者電力才能實現，這種能量轉化率比較低，遠不能與生物分子馬達相比。科學家們如今在研發一種技術，將這些現成的蛋白質和DNA馬達直接拿來使用，安裝在納米生物機器人機械中，為其提供綠色環保的動力。