納米汽車是一種可以在分子表面運(yùn)動(dòng)的大分子結(jié)構(gòu)。它是以一種新型的富勒烯為車輪，不粘滑或平移滑動(dòng)，而不是像傳統(tǒng)汽車一樣滾動(dòng)。

 [1]?發(fā)展簡史

人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后將逐個(gè)地排列原子，制造產(chǎn)品。這是著名物理學(xué)家諾貝爾獲得者理查德•費(fèi)曼1959年對(duì)納米技術(shù)的最早夢想。從此，人類就開始了對(duì)納米世界的探求。近來很多研究致力于分子機(jī)器的合成，用于實(shí)現(xiàn)特定的任務(wù)?；诖?，美國萊斯大學(xué)2005年制造出第一個(gè)分子汽車，同宏觀的汽車是為了將人送到某個(gè)固定的地方一樣，未來這種車輛可用來運(yùn)輸單個(gè)的分子，可成為“納米生產(chǎn)”中的有用工具。2006年又有人提出一種帶分子馬達(dá)的納米汽車。

基本內(nèi)容

這種車輛只有不過3到4納米見方比單股的DNA稍寬，而一根頭發(fā)的直徑大約是8萬納米。這種納米汽車1克的材料就可以裝載約1000毫克的藥物分子，因?yàn)轶w積小，所以能在器官和血管中自由通行。它外形好似布滿規(guī)則小孔的“空心球”，里邊裹挾著藥物，當(dāng)納米送藥車在體外磁場的作用下抵達(dá)患處，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)患處酸堿度或離子強(qiáng)度，納米汽車的“外衣”就會(huì)脫去，小車上裝載的藥物就被釋放出來。研究人員希望這種特殊的交通工具能夠被用于分子構(gòu)造領(lǐng)域。改進(jìn)后的納米車能夠承載一個(gè)分子的“貨物”，在納米工廠之間運(yùn)送原子和分子。它包括底盤，車軸(它利用一種三合體作軸，連接每個(gè)輪子的軸都能獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，使得這種車能夠在凹凸不平的原子表面行進(jìn)。)和富勒烯(又稱巴基球，由60個(gè)碳原子組成)輪子，并驗(yàn)證了其運(yùn)動(dòng)是基于輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)而不是通常分子間的粘滯摩擦作用。

該納米汽車放置在金片表面，先通過強(qiáng)電場將納米車束縛在金片的表面，當(dāng)溫度上升到170℃以上時(shí)再去掉電場，這是納米車輛就能像微型汽車一樣運(yùn)動(dòng)。當(dāng)環(huán)境溫度在170攝氏度到220攝氏度之間時(shí)，納米汽車既能直線運(yùn)動(dòng)，也能做旋轉(zhuǎn)，而這種旋轉(zhuǎn)是發(fā)生在與軸垂直，說明這種平移方向與分子取向有關(guān)。而對(duì)于此時(shí)的納米汽車有兩個(gè)不可忽略的現(xiàn)象：一，納米車初始運(yùn)動(dòng)的方向選擇沒有確定性，對(duì)于平齊的相同的幾輛納米車，有的會(huì)向前運(yùn)動(dòng)有的會(huì)向后運(yùn)動(dòng)，而這種運(yùn)動(dòng)離我們利用納米汽車定向的輸送分子的目的不符。二，納米汽車運(yùn)動(dòng)起來后雖然會(huì)一直沿著某個(gè)大方向運(yùn)動(dòng)，但是中間總會(huì)有小的轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象，其可能的原因首先殊車軸特殊的幾何結(jié)構(gòu)所致，因?yàn)樗膫€(gè)輪子并不是像宏觀汽車的輪子運(yùn)動(dòng)方式相同，而是各自可以獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，這樣運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方向的不穩(wěn)定性，其次因?yàn)槠囋丛床粩噙\(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源于加熱，由熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的納米汽車小范圍的漲落也會(huì)對(duì)方向的偏轉(zhuǎn)有一些影響。為了讓納米汽車更好的做定向運(yùn)動(dòng)，可以使用STM探針直接驅(qū)動(dòng)的圖像。可以用加熱誘導(dǎo)或者直接通過STM機(jī)探針操控，但是對(duì)于真正可以使用的定向運(yùn)動(dòng)的納米車，這些方式都有致命的缺陷。對(duì)于加熱誘導(dǎo)，其前后運(yùn)動(dòng)方向性不確定，而對(duì)于STM探針操控，對(duì)成千上萬的納米汽車是不可能的，因此我們想到是否能像宏觀汽車一樣給納米車裝上馬達(dá)，對(duì)于納米車作定向運(yùn)動(dòng)馬達(dá)的機(jī)制一直是科學(xué)家在尋找的難題。有一種可能的分子馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，在其中間部位有一個(gè)短臂，在光照和加熱底板的作用下，起著激勵(lì)的作用，它不停的在基底上劃動(dòng)從而帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。

到現(xiàn)在人們已經(jīng)發(fā)展了各種分子馬達(dá)，但由Feringa等設(shè)計(jì)的單向馬達(dá)其應(yīng)用最廣，其具備以下幾點(diǎn)：它可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng);使用光和熱(35-65℃)作為動(dòng)力源;可以實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動(dòng);其功能的實(shí)現(xiàn)不需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng);即使在金屬表面也可以運(yùn)動(dòng)。這個(gè)結(jié)構(gòu)不同于前面的富勒烯結(jié)構(gòu)的分子汽車，作者選擇P型碳硼烷車輪是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)在富勒烯存在時(shí)，F(xiàn)eringa馬達(dá)是完全不起作用的，可能是因?yàn)轳R達(dá)激發(fā)態(tài)向富勒烯的能量轉(zhuǎn)移比其馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)快得多。納米汽車所有部件的選擇都是為了能通過STM觀察到其在原子表面平動(dòng)的現(xiàn)象。首先，選擇p型碳硼烷作車輪，因?yàn)樗哂腥S近球狀構(gòu)造，并且不吸收365nm的光，這種光是分子汽車的動(dòng)力源，而且我們可以證明的是，他們不會(huì)過早的淬滅馬達(dá)進(jìn)行的光化學(xué)過程。第二，炔烴已被用來作為車軸因?yàn)樗麄兊膶?duì)能源的吸收也是充分低的。納米車在這種馬達(dá)的作用下能夠緩緩的做定向的運(yùn)動(dòng)，但是運(yùn)動(dòng)的速率非常慢，未來對(duì)在光致異構(gòu)的過程中是否能量轉(zhuǎn)移到了金屬層，是否馬達(dá)有足夠的能量在表面運(yùn)動(dòng)，如何提高這種納米車的運(yùn)動(dòng)速度。更重要的研究是尋找出準(zhǔn)確控制其運(yùn)動(dòng)的方式，這樣可以用來生產(chǎn)復(fù)雜的材料或藥物。

學(xué)科分支

這種新型納米筆能畫出40納米寬度的線條，這是紅血球直徑的1/100.它是利用毛細(xì)作用來保持筆管中的液體流動(dòng)，筆管連接著一個(gè)很小的“墨水庫”。它還是支多用途的筆，能夠儲(chǔ)存多種不同的墨水，從繪畫顏料到生物原料。雖然首批納米筆早已誕生，但它們不能儲(chǔ)存墨水，而且必須蘸進(jìn)墨水中才能使用。

這種筆的筆尖是由鉆石材料制成，或者是外表覆蓋有鉆石層的硅，它被粘貼在一個(gè)筆桿上。因此筆尖將非常耐用。由于新型納米筆是用標(biāo)準(zhǔn)的微制造技術(shù)制成，因此能夠大批量生產(chǎn)。納米筆能夠與微粒子顯微鏡結(jié)合，讓科學(xué)家在觀察納米微觀世界的同時(shí)，在上面“作畫”。科學(xué)家希望，它最終能夠被用于制造蛋白質(zhì)排列和復(fù)雜的半導(dǎo)體。

這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)由置于納米碳管基座上的兩滴液體物質(zhì)構(gòu)成，利用液體的表面張力工作。發(fā)動(dòng)機(jī)長度有200納米。它由固定在多層納米碳管基座上的一大一小兩滴滴液態(tài)銦構(gòu)成，直徑分別為90納米和30納米。其工作原理是液體的張力特性：由于物體體積越小表面張力的作用越明顯，在微米尺度以下表面張力則占統(tǒng)治地位。

在外加電場的作用下大液滴向小滴沿基座傳送原子，小液滴變大而大滴變小，直到兩滴相觸完成收縮過程。接觸后在表面張力的作用下，大滴迅速吞噬小滴，完成舒張過程。在這一過程中，能量轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力。在外加電場的作用下這個(gè)裝置可以持續(xù)工作。這一裝置產(chǎn)生的能量雖然只有20微瓦，但是這和它的個(gè)頭比起來已經(jīng)相當(dāng)高效。

應(yīng)用領(lǐng)域

仿生學(xué) 單分子輸運(yùn) 分子馬達(dá) 生物醫(yī)藥

大量的“納米車輛”組成“納米生產(chǎn)線”，這種由底層開始加工的生產(chǎn)線，效率將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的生產(chǎn)線