复旦大学科学家在纳米马达研究中获重要进展。以王志松教授为负责人的复旦大学现代物理研究所分子纳米研究组发现了纳米马达自主运动的分子机制，为发展一大类性能先进的新型纳米马达打开了通路。近日，相关研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上。
近半个世纪前，著名物理学家费曼提出了实现类似汽车的纳米马达的可能性。从2004年开始，科学家终于制备出沿长轨道进行定向运输的纳米马达。目前所实现的马达，一般有两个类似“足”的部件，前后的足部件采用不同的化学成分，以此来取定方向。这就像我们日常熟悉的蠕虫，它沿着树枝爬动，只有头尾分明，它才能取定方向。但是，不同的足部件带来马达合成上的困难。而且必须有几种不同的化学分子为马达提供能量，因此马达运行一般需要复杂的操作。
“其实，我们人体细胞内也存在着类似的双足纳米马达，他们由蛋白质分子构成。”有关专家解释说，这些蛋白质（生物）马达常常双足相同，而且只消耗单一种类的燃料分子（ATP，即三磷酸腺苷）。它们却能自己选择方向，完全以自主方式运动，只要环境中存在ATP分子就行了。因此，生物马达的定向方法远比目前的人工纳米马达先进。而最终实现可以和生物马达相媲美的人工马达是纳米科技的一个梦想目标。
复旦大学教授、留德归国博士王志松所领导的研究小组最近发现了同头尾的纳米马达自主定向、自主运动的分子机制，为发展性能先进的新型纳米马达打开了通路。他们的研究论文题为Synergic Mechanism And Fabrication Target for Bipedal Nanomotors。
复旦大学研究组的最新发现把纳米马达的运行要求降到了最低水平，即只须随机给它提供单一种类的燃料分子。而马达自己决定是否接受能量供应，自己选定方向，自己协调头尾使其彼此交替跨越，从而实现沿轨道的定向运输。而制备这些性能优越的新型纳米马达，只需合成单个头部件，再由全同的头部件两两连接即可，难度大大降低。王志松研究组的后续研究发现，这种先进的纳米马达机制在生物马达中也存在，而且是充分优化的。因此，他们所发现的马达机制可能是经过长期生物进化所选择的一个最佳途径，对人工纳米马达的研制将具有普遍指导意义。
复旦大学纳米马达研究组过去在纳米马达的激光控制等方面也获得了一系列重要成果，先后受到美国物理研究院物理研究新闻、麻省理工学院技术评论杂志、美国光子谱杂志的专题报道。
他们的研究工作得到了国家自然科学基金、上海市浦江计划、上海教育基金会曙光计划和教育部新世纪优秀人才计划的资助。(科学时报)
原始出处:
Published online before print November 6, 2007, 10.1073/pnas.0703639104
PNAS | November 13, 2007 | vol. 104 | no. 46 | 17921-17926
Synergic mechanism and fabrication target for bipedal nanomotors
Zhisong Wang*
Institute of Modern Physics, Applied Ion Beam Physics Laboratory, Fudan University, Han-Dan Road 220, Shanghai 200433, China
Edited by R. Dean Astumian, University of Maine, Orono, ME, and accepted by the Editorial Board October 2, 2007 (received for review April 19, 2007)
Inspired by the discovery of dimeric motor proteins capable of undergoing transportation in living cells, significant efforts have been expended recently to the fabrication of track-walking nanomotors possessing two foot-like components that each can bind or detach from an array of anchorage groups on the track in response to local events of reagent consumption. The central problem in fabricating bipedal nanomotors is how the motor as a whole can gain the synergic capacity of directional track-walking, given the fact that each pedal component alone often is incapable of any directional drift. Implemented bipedal motors to date solve this thermodynamically intricate problem by an intuitive strategy that requires a hetero-pedal motor, multiple anchorage species for the track, and multiple reagent species for motor operation. Here we performed realistic molecular mechanics calculations on molecule-scale models to identify a detailed molecular mechanism by which motor-level directionality arises from a homo-pedal motor along a minimally heterogeneous track. Optimally, the operation may be reduced to a random supply of a single species of reagents to allow the motor's autonomous functioning. The mechanism suggests a distinct class of fabrication targets of drastically reduced system requirements. Intriguingly, a defective form of the mechanism falls into the realm of the well known Brownian motor mechanism, yet distinct features emerge from the normal working of the mechanism.
molecular devices | molecular mechanics theory | nanotechnology | Brownian motor
