Nanomotors

Vikipēdijas lapa
Jump to navigation Jump to search

Nanomotors ir molekulāra vai nano mēroga ierīce, kas ir spējīga pārveidot enerģiju mehāniskajā darbā. Tas tipiski var ģenerēt spēkus, izmērāmus pikoņūtonos.[1][2][3][4]

Ar magnētiska lauka palīdzību virzīts spirālveida nanomotors kustas HeLa šūnā, ar savu ceļu izveidojot burtu “N”.[5]

Kaut arī nanodaļiņas tika izmantotas mākslā jau daudzus gadsimtus (piemēram, slavenais Likurga kauss), nanotehnoloģiju zinātniskā izpēte tika iesākta tikai nesen. 1959. gadā Amerikas Fizikas sabiedrības konferencē Ričards Fainmens novadīja savu slaveno lekciju “Lejā vēl ir daudz vietas” (angļu: "There's Plenty of Room at the Bottom") Kalifornijas Tehnoloģiju institūtā (angļu: California Institute of Technology, zināms arī kā Caltech). Viņš piedāvāja zinātniskas derības, ka nevienam cilvēkam neizdosies uztaisīt motoru, kura izmēri ir mazāki par 400 µm.[6] Tādu derību jēga, līdzīgi citām zinātniskām derībām, bija iedvesmot zinātniekus visā pasaulē atklāt jaunas tehnoloģijas, jo jebkurš, kas spētu izveidot tādu motoru, būtu apbalvots ar 1000 ASV dolāru balvu.[6] Derību mērķis gan netika sasniegts, jo 1960. gadā Viljams Maklīlans (William McLellan) spēja izveidot nanomotoru bez jaunu tehnoloģiju palīdzības. Neskatoties uz to, Fainmena runa iedvesmoja jaunu zinātnieku paaudzi un radīja interesi nanotehnoloģiju pētījumos.

Nanocaurules un nanovadu motori[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

2004. gadā Ajusmāns Sēns un Tomass Malūks izgatavoja pirmo sintētisko un patstāvīgu nanomotoru.[7] Divi divu mikronu gari nanomotori bija izveidoti no diviem segmentiem, platīna un zelta, un spēja kataliski reaģēt ar ūdenī izšķīdinātu ūdeņraža peroksīdu, radot mehāniskās kustības.[7] Au-Pt nanomotoru kustība atšķiras no Brauna kustības, un tās ierosināšana notiek ar ķīmisko gradientu kataliskās ģenerācijas palīdzību.[7][8] Šī kustība ir īpatnēja arī ar to, ka tās vadīšanai nav nepieciešams ārējais magnētiskais, elektriskais vai optiskais lauks.[9] Motori izveido lokālus laukus un pārvietojas, izmantojot elektroforēzi. 2008. gadā Džozefs Vengs ievērojami uzlaboja Au-Pt katalisku nanomotru veiktspēju, pievienojot platīna segmentam oglekļa nanocaurules.[10]

Kopš 2004. gada, tika izstrādāti dažādi nano- un mikromotori, kas izmanto nanovadus un nanocaurules.[11][12][13][14] Nanovadi var kustēties dažādos virzienos atkarībā no ierosinājuma tipa (ķīmiska degviela vai ultraskaņa).[15] Šādi motori pārsvarā izmanto ūdeņraža peroksīdu kā degvielu, bet eksistē izņēmumi.[16][16]

Ribosoma ir bioloģiskā mašīna, kas izmanto proteīnu dinamiku nanomērogā.

Enzimātiski nanomotori[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Pēdējos gados kļuva izplatīti enzimātisku nanomotoru un mikrosūkņu pētījumi. Pie zemām Reinoldsa skaitļa vērtībām, viena enzīma molekula var kalpot kā patstāvīgs nanomotors.[17][18] Ajusmāns Sēns un Samudra Sengupta demonstrēja, ka automātiski mikrosūkņi spēj uzlabot daļiņu pārnesi.[19][20] Šāda sistēma parāda, ka enzīmi var tikt izmantoti kā nanomotoru “dzinēji”.[21] Daļiņas, kas tiek apstrādātas ar aktīvām enzīmu molekulām, ātrāk difundē attiecīgu substrātu šķīdumos.[22][23] Eksperimentāli tika parādīts, ka enzīmu molekulas kustas noteiktajā virzienā pa attiecīga substrāta gradientu.[18][24] Šīs joprojām ir vienīgais veids, kā var atdalīt enzīmus tikai pēc to aktivitātes. Enzimātisku nanomotru izstrāde palielina iespējas biotehnoloģijā un izveido jaunus medicīniskos pielietojumus.[25]

Spirālveida nanomotra attēls, kas iegūts ar skenējošo elektronmikroskopu.

Spirālveida nanomotori[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Cits interesants nanomotoru koncepts ir spirālveida silīcija dioksīda daļiņas, kas tiek apstrādātas ar magnētiskiem materiāliem, kas ļauj tās kontrolēt ar rotējoša ārēja magnētiska lauka palīdzību.[26] Tādi nanomotori neizmanto ķīmiskās reakcijas lai rosinātu kustību. Magnētiskais lauks, kas iedarbojas uz daļiņām var tikt radīts ar Helmholca spoles palīdzību. Pētījumi parāda, ka spirālveida nanomotori var tikt izmantoti neņūtona šķidrumu viskozitātes mērījumos ar mikrometru precizitāti.[27] Šādas tehnoloģijas palīdz izveidot viskozitātes profilus šūnās un starpšūnu vielā. Piemērām, spirālveida nanomotori var pārvietoties asinī.[28] Pētniekiem izdevas kontrolēt tādu nanomotoru kustību vēža šūnās, kas ļauj iegūt informāciju par to iekšējo uzbūvi.[5]

Skatīt arī[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Atsauces[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

  1. Dreyfus, R.; Baudry, J.; Roper, M. L.; Fermigier, M.; Stonne, H.A.; Bibette, J. (2005). "Microscopic artificial swimmers". Nature 437 (7060): 862-5. doi:10.1038/nature04090. PMID 16208366.
  2. Bamrungsap, S.; Phillips, J. A.; Xiong, X.; Kim, Y.; Wang, H.; Liu, H.; Hebard, A.; Tan, W. (2011). "Magnetically driven single DNA nanomotor". Small 7 (5): 601–605. doi:10.1002/smll.201001559. PMID 21370463.
  3. T. E. Mallouk and A. Sen, "Powering nanorobots," Scientific American, May 2009, pp. 72-77
  4. J. Wang, "Nanomachines: Fundamental and Application", Wiley, 2013
  5. 5,0 5,1 Pal, Malay; Somalwar, Neha; Singh, Anumeha; Bhat, Ramray; Eswarappa, Sandeep; Saini, Deepak; Ghosh, Ambarish (2018). "Maneuverability of Magnetic Nanomotors Inside Living Cells" (En). Advanced Materials 30 (22): 1800429. doi:10.1002/adma.201800429. PMID 29635828.
  6. 6,0 6,1 «Physics Term Paper -- Nanotechnology». www.geocities.ws. Skatīts: 2015-10-30.
  7. 7,0 7,1 7,2 Paxton, W. F.; Kistler, K. C.; Olmeda, C. C.; Sen, A.; Cao, Y.; Mallouk, T. E.; Lammert, P.; Crespi, V. H. (2004). "Autonomous Movement of Striped Nanorods". J. Am. Chem. Soc. 126 (41): 13424–13431. doi:10.1021/ja047697z. PMID 15479099.
  8. Wang, Wei; Duan, Wentao; Ahmed, Suzanne; Mallouk, Thomas E.; Sen, Ayusman (2013-10-01). "Small power: Autonomous nano- and micromotors propelled by self-generated gradients". Nano Today 8 (5): 531–554. doi:10.1016/j.nantod.2013.08.009.
  9. Yadav, Vinita; Duan, Wentao; Butler, Peter J.; Sen, Ayusman (2015-01-01). "Anatomy of Nanoscale Propulsion". Annual Review of Biophysics 44 (1): 77–100. doi:10.1146/annurev-biophys-060414-034216. PMID 26098511.
  10. Speeding up catalytic nanomotors with carbon nanotubes
  11. Das, Sambeeta; Garg, Astha; Campbell, Andrew I.; Howse, Jonathan; Sen, Ayusman; Velegol, Darrell; Golestanian, Ramin; Ebbens, Stephen J. (2015). "Boundaries can steer active Janus spheres" (En). Nature Communications 6 (1): 8999. doi:10.1038/ncomms9999. ISSN 2041-1723. PMC 4686856. PMID 26627125.
  12. Duan, W.; Ibele, M.; Liu, R.; Sen, A. (2012). "Motion analysis of light-powered autonomous silver chloride nanomotors" (en). The European Physical Journal E 35 (8): 77. doi:10.1140/epje/i2012-12077-x. ISSN 1292-8941. PMID 22926808.
  13. Baker, Matthew S.; Yadav, Vinita; Sen, Ayusman; Phillips, Scott T. (2013). "A Self-Powered Polymeric Material that Responds Autonomously and Continuously to Fleeting Stimuli" (en). Angewandte Chemie International Edition 52 (39): 10295–10299. doi:10.1002/anie.201304333. ISSN 1433-7851. PMID 23939613.
  14. Zhang, Hua; Duan, Wentao; Liu, Lei; Sen, Ayusman (2013). "Depolymerization-Powered Autonomous Motors Using Biocompatible Fuel" (EN). Journal of the American Chemical Society 135 (42): 15734–15737. doi:10.1021/ja4089549. ISSN 0002-7863. PMID 24094034.
  15. Wang, Wei; Duan, Wentao; Zhang, Zexin; Sun, Mei; Sen, Ayusman; Mallouk, Thomas E. (2014-12-18). "A tale of two forces: simultaneous chemical and acoustic propulsion of bimetallic micromotors" (en). Chemical Communications 51 (6): 1020–1023. doi:10.1039/C4CC09149C. ISSN 1364-548X. PMID 25434824.
  16. 16,0 16,1 Liu, Ran; Wong, Flory; Duan, Wentao; Sen, Ayusman (2014-12-14). "Synthesis and characterization of silver halide nanowires". Polyhedron. Special Issue in Honor of Professor John E. Bercaw 84: 192–196. doi:10.1016/j.poly.2014.08.027.
  17. Duan, Wentao; Wang, Wei; Das, Sambeeta; Yadav, Vinita; Mallouk, Thomas E.; Sen, Ayusman (2015-01-01). "Synthetic Nano- and Micromachines in Analytical Chemistry: Sensing, Migration, Capture, Delivery, and Separation". Annual Review of Analytical Chemistry 8 (1): 311–333. doi:10.1146/annurev-anchem-071114-040125. PMID 26132348.
  18. 18,0 18,1 Sengupta, Samudra; Dey, Krishna K.; Muddana, Hari S.; Tabouillot, Tristan; Ibele, Michael E.; Butler, Peter J.; Sen, Ayusman (2013-01-30). "Enzyme Molecules as Nanomotors". Journal of the American Chemical Society 135 (4): 1406–1414. doi:10.1021/ja3091615. ISSN 0002-7863. PMID 23308365.
  19. Sengupta, Samudra; Dey, Krishna K.; Muddana, Hari S.; Tabouillot, Tristan; Ibele, Michael E.; Butler, Peter J.; Sen, Ayusman (2013-01-30). "Enzyme Molecules as Nanomotors". Journal of the American Chemical Society 135 (4): 1406–1414. doi:10.1021/ja3091615. ISSN 0002-7863. PMID 23308365.
  20. Sengupta, Samudra; Patra, Debabrata; Ortiz-Rivera, Isamar; Agrawal, Arjun; Shklyaev, Sergey; Dey, Krishna K.; Córdova-Figueroa, Ubaldo; Mallouk, Thomas E. et al. (2014-05-01). "Self-powered enzyme micropumps". Nature Chemistry 6 (5): 415–422. doi:10.1038/nchem.1895. ISSN 1755-4330. PMID 24755593.
  21. Sengupta, Samudra; Spiering, Michelle M.; Dey, Krishna K.; Duan, Wentao; Patra, Debabrata; Butler, Peter J.; Astumian, R. Dean; Benkovic, Stephen J. et al. (2014-03-25). "DNA Polymerase as a Molecular Motor and Pump". ACS Nano 8 (3): 2410–2418. doi:10.1021/nn405963x. ISSN 1936-0851. PMID 24601532.
  22. Dey, Krishna K.; Zhao, Xi; Tansi, Benjamin M.; Méndez-Ortiz, Wilfredo J.; Córdova-Figueroa, Ubaldo M.; Golestanian, Ramin; Sen, Ayusman (2015-12-09). "Micromotors Powered by Enzyme Catalysis". Nano Letters 15 (12): 8311–8315. doi:10.1021/acs.nanolett.5b03935. ISSN 1530-6984. PMID 26587897.
  23. Ma, Xing; Jannasch, Anita; Albrecht, Urban-Raphael; Hahn, Kersten; Miguel-López, Albert; Schäffer, Erik; Sánchez, Samuel (2015-10-14). "Enzyme-Powered Hollow Mesoporous Janus Nanomotors". Nano Letters 15 (10): 7043–7050. doi:10.1021/acs.nanolett.5b03100. ISSN 1530-6984. PMID 26437378.
  24. Dey, Krishna Kanti; Das, Sambeeta; Poyton, Matthew F.; Sengupta, Samudra; Butler, Peter J.; Cremer, Paul S.; Sen, Ayusman (2014-12-23). "Chemotactic Separation of Enzymes". ACS Nano 8 (12): 11941–11949. doi:10.1021/nn504418u. ISSN 1936-0851. PMID 25243599.
  25. Zhao, Xi; Gentile, Kayla; Mohajerani, Farzad; Sen, Ayusman (2018-10-16). "Powering Motion with Enzymes". Accounts of Chemical Research 51 (10): 2373–2381. doi:10.1021/acs.accounts.8b00286. ISSN 0001-4842. PMID 30256612.
  26. Ghosh, Ambarish; Fischer, Peer (2009). "Controlled Propulsion of Artificial Magnetic Nanostructured Propellers" (En). Nano Letters 9 (6): 2243–2245. doi:10.1021/nl900186w. PMID 19413293.
  27. Ghosh, Arijit; Dasgupta, Debayan; Pal, Malay; Morozov, Konstantin; Lehshansky, Alexander; Ghosh, Ambarish (2018). "Helical Nanomachines as Mobile Viscometers" (En). Advanced Functional Materials 28 (25): 1705687. doi:10.1002/adfm.201705687.
  28. Pooyath, Lekshmy; Sai, Ranajit; Chandorkar, Yashoda; Basu, Bikramjit; Shivashankar, S; Ghosh, Ambarish (2014). "Conformal cytocompatible ferrite coatings facilitate the realization of a nanovoyager in human blood" (En). Nano Letters 14 (4): 1968–1975. doi:10.1021/nl404815q. PMID 24641110.