科學(xué)家用光驅(qū)動(dòng)，每小時(shí)23納米的最高速度

　　萊斯大學(xué)和奧地利格拉茨大學(xué)的科學(xué)家用光來(lái)驅(qū)動(dòng)了單分子三輪納米跑車，并且首次看到了它們是如何移動(dòng)的。

　　納米小車的發(fā)明者和化學(xué)家James Tour的實(shí)驗(yàn)室在六年前合成了光驅(qū)動(dòng)的納米小車，但在奧地利實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的幫助下，他們現(xiàn)在能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)單分子車的車隊(duì)了。

　　關(guān)于這項(xiàng)工作的一份研究報(bào)告發(fā)表在了美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的期刊《ACS Nano》上。

　　“看到機(jī)動(dòng)化的納米跑車可以通過(guò)光激活的馬達(dá)來(lái)推動(dòng)，還是挺讓人興奮的，”Tour說(shuō)，他在2005年提出了納米小車的概念，并在一年之后實(shí)現(xiàn)了機(jī)動(dòng)化。“這些三輪車是觀察到的第一批用任何方法來(lái)推動(dòng)其跨越表面的光驅(qū)動(dòng)納米車，更不要說(shuō)使用的是掃描隧道顯微鏡了。”

　　在即將在法國(guó)圖盧茲舉行的國(guó)際納米車大賽上，與其他人用化學(xué)或隧道顯微鏡的尖端來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛不同，萊斯大學(xué)的研究人員利用特定波長(zhǎng)的光來(lái)使他們的納米跑車沿著銅表面移動(dòng)。這些車具有后輪分子發(fā)動(dòng)機(jī)，其在被光擊中的時(shí)候會(huì)沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)就像螺旋槳在水里一樣推動(dòng)車輛前進(jìn)。

　　這個(gè)由Tour和Leonhard Grill——曾任職于柏林的弗里茨-哈伯研究所的格拉茨大學(xué)的教授——領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，使用了由荷蘭科學(xué)家Bernard Feringa發(fā)明的波長(zhǎng)敏感的改良版馬達(dá)，他也因?yàn)樵诜肿訖C(jī)器上的研究分享了今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

　　遠(yuǎn)程控制對(duì)于這些車輛的有用性來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。“如果我們必須用‘線‘——例如電子束——將車輛與電源連接起來(lái)，那么我們將失去很多的汽車功能，”Tour說(shuō)。“用光來(lái)給它們提供能量，可以使它們開(kāi)到任何一個(gè)光能照到的地方——最終我們希望它們能運(yùn)載貨物。”

　　另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以一次驅(qū)動(dòng)一個(gè)納米小汽車車隊(duì)的能力。“這正是我們尋求的——用光來(lái)激活電機(jī)和使納米車群越過(guò)表面，通過(guò)電場(chǎng)梯度使其具有方向性，”Tour說(shuō)。“這將使得我們能夠暢想這樣一個(gè)像螞蟻一樣使用納米機(jī)器的場(chǎng)景，讓它們來(lái)共同完成建設(shè)工作。”

　　Grill說(shuō)，通過(guò)光來(lái)遠(yuǎn)程控制車輛，使我們不再需要需要逐個(gè)與分子對(duì)應(yīng)起來(lái)的局域化的探針。“此外，不再需要會(huì)污染表面和改變擴(kuò)散特性的‘燃料’分子”他說(shuō)。

　　Tour使用了改良版的Feringa馬達(dá)來(lái)為他實(shí)驗(yàn)室的納米潛水泵提供動(dòng)力。在這個(gè)例子中，該馬達(dá)是后輪。據(jù)Grill說(shuō)，三輪的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了它的使用，因?yàn)檩^大的納米小車更難放置在設(shè)想的表面上，其在真空狀態(tài)下沉積的過(guò)程中常常會(huì)游離出來(lái)。

　　由第一作者，Grill組里的Alex Saywell在萊斯大學(xué)制作的納米跑車上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明，為了在真空中得到“增強(qiáng)擴(kuò)散”，需要光照和溫度上的良好的平衡。

　　Grill說(shuō)用光驅(qū)動(dòng)納米機(jī)器提供了一個(gè)基本的優(yōu)勢(shì)——由于電機(jī)的波長(zhǎng)敏感性從而使得我們能夠選擇性地誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。266納米的紫外線相比于不用馬達(dá)控制跑車分子增加了一倍的跑車運(yùn)動(dòng)。而在355納米下，則會(huì)增加兩倍。

　　這種由112個(gè)原子組成的光活化跑車，達(dá)到了每小時(shí)23納米的最高速度。

　　絕對(duì)溫度161開(kāi)爾文（華氏零下170度）的表面活化溫度被證明是最好的驅(qū)動(dòng)條件。如果溫度過(guò)冷，該跑車將會(huì)粘在表面上；如果太熱的話，它們即使沒(méi)有馬達(dá)的幫助也會(huì)隨機(jī)地?cái)U(kuò)散。

　　“我們驚訝于電機(jī)的存在與運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)之間清晰的相關(guān)性，需要光和熱來(lái)激活此運(yùn)動(dòng)——與Feringa電機(jī)的概念完全一致——而解決方案中的波長(zhǎng)敏感性在光譜學(xué)上很好地滿足了我們的預(yù)期，”Grill說(shuō)。