微观世界里的发动机

王麟

一艘纳米级大小的微型潜艇，满载着几位技艺精湛的医生，在波涛汹涌的红色大海里劈波斩浪。随着心脏强劲地收缩与舒张，红色大海咆哮怒吼，推动着微型潜艇迅速穿过幽长的隧道，向前飞奔，一直到达目的地——病人血管的病灶前面。这是1966年上映的美国好莱坞电影《神奇旅程》中令人惊心动魄而又目眩神迷的场景。

研究分子层面的纳米技术，开始于150多年前，经过科学家们的不断努力，这项技术在最近十多年来取得了很多进展，那些在50年前还属于科学幻想的技术，如今正逐步变成现实。科学家们在微观世界领域尽展才华，研发出种类繁多的微型马达，在分子层面组装纳米大小的机器人，去执行人类在宏观世界无法实施的任务。

纳米马达以及以此作为原动力的纳米机器到底有何神奇之处，需要我们亲眼去看看。

会变色的杯子

将纳米材料应用于实际，古已有之，最著名的当属考古发现的古罗马时代的“莱克格斯杯”，距今约1 600年，是一只双色高脚玻璃杯，能够随着光线变化显示出不同的颜色。经过科学家研究才知道，玻璃材质里面掺杂了直径50纳米大小的金、银等金属颗粒，很显然，这个玻璃杯采用了与现代纳米科技相同的技术。然而，纳米技术虽然在1 000多年前就得以应用，但是人们对其机理并不清楚，直到最近20多年里，纳米技术才有了重大突破，并在很多领域得到广泛应用。

起初来自物理学家的构想

纳米技术包含的范围很广泛，除了纳米材料之外，如今最受关注的焦点技术领域就是纳米马达。我们总是幻想能够通过纳米机器人进入人的身体内部，修复受损的组织，与入侵的病毒作斗争，不再通过外科手术或者服用药物来治疗疾病，这也是未来医学的发展方向。然而，纳米机器人也需要驱动力，因此研发纳米马达是制造纳米机器人的第一步。

提出“纳米马达”这个构想的，是美国物理学家理查德·费曼，他在1959年12月份加州理工学院举办的美国物理协会年会上，发表了“物质底层大有空间”的演讲，还与同仁们打赌，声称没有人能够制造出尺寸小于400纳米的马达，赌金为1 000美元。

没想到仅仅过了一年，美国电气工程师威廉·麦克莱伦就制造出重量只有200微克、转速达到每分钟2 000转的电气马达，尺寸满足了费曼提出的苛刻要求。费曼的这次打赌虽然输了，却开创了纳米新技术时代。

强大的动力使者

那么什么是纳米马达呢？科技工作者给纳米马达的定义是“能够将化学能、光能、电能等转化为运动动能或者驱动力的纳米装置”。

纳米马达的尺寸都很小，一般为几个纳米或者几十纳米，具备很多优点，比如重量轻、体积小、输出推力大、功耗低、转化效率高等，为体感监测、纳米制造、纳米装配、纳米自组装和纳米驱动等技术领域带来革命性的进步，在纳米电子学和纳米医疗的定向精确输送药物方面，应用潜力和前景十分广阔。

庞大的家族

如今，纳米马达属于热门技术研究领域，研制的微型马达种类各异，形成了花样繁多、性能不同的纳米马达家族。

按照使用原材料的不同，可分为固体材料纳米马达和合成生物分子材料纳米马达，除此之外，纳米马达研究还有一个很重要的分支，那就是直接研究存在于生物体中的分子马达，并拿来直接使用，安装在纳米机器人中，为其提供动力。

第一类纳米马达以纳米管和纳米丝马达为代表。早在2004年，美国宾夕法尼亚大学化学教授阿尤斯曼·森带领团队利用铂金和黄金纳米微粒研制成功大小只有2微米的纳米马达，通过水中稀释的过氧化氢进行化学反应产生气泡来提供动力。这类纳米马达不需要外部磁场、电场和光场提供能源，也能克服纳米尺寸下的微粒受 布朗运动 的影响，而最大的缺点就是必须依赖水和过氧化氢，使其应用范围受限，不能在试管之外得到推广。第二类合成生物分子的纳米马达如今也已经取得了重大的技术突破，科学家们基于奇异合成分子，研发成功多种分子穿梭器和分子转子等纳米机械。

此外，还有按驱动方式将纳米马达分类的方法，可分为单分子酶类纳米马达和纳米泵，以及通过光电能驱动的纳米马达等。

终极目标——纳米机器人

研制纳米马达的最终目标，就是为了制造纳米生物机器人，按照技术发展的先后顺序，纳米机器人的研发可分为三代，也是三个由低到高、由简单到复杂的过程。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合，结构部件用碳纳米管，动力构件用分子马达，关节用DNA构件；第二代纳米机器人直接利用原子或者分子，装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置；第三代纳米机器人则更进一步，在第二代的基础上安装上纳米控制芯片以及纳米计算机，为纳米机器人创造一个更加宽广的应用舞台。

绿色环保的动力来源

“生物分子马达”是由生物大分子构成，能将化学能转化成机械能的纳米系统，通过光电等外部刺激，使得分子结构发生较大的可控变化，从而对外提供机械能。我们人体细胞中就存在很多这类生物分子马达，一般分为两大类：蛋白质马达和DNA马达。

生物分子马达最大的特点就是能够主动地从周围环境中捕获ATP能量分子，借助微观世界的热涨落效应，来消耗ATP水解之后的化学能，从而实现对外做功。生物分子马达的最令人惊叹之处就是做功效率极高，能量转化率可达到60%～100%，而一般的人造机器要是想实现化学能向机械能的转化，必须借助热力或者电力才能实现，这种能量转化率比较低，远不能与生物分子马达相比。科学家们如今在研发一种技术，将这些现成的蛋白质和DNA马达直接拿来使用，安装在纳米生物机器人机械中，为其提供绿色环保的动力。