Delfti Tehnikaülikooli teadlased on inspireeritud ikoonilistest Hollandi tuuleveskitest ja bioloogilistest mootorivalkudest välja töötanud maailma väikseimad isekonfigureeruvad voolupõhised mootorid DNA põhjal. See vooluajamiga rootor muudab elektri- või soolagradiendist saadava energia kasulikuks mehaaniliseks tööks.
Dr Xin Shi, bionanoteaduse osakonna professor Cees Dekkeri labori järeldoktor. Delfti tehnikaülikool (TLÜ Delft), ütles, „Pöördmootorid on olnud inimühiskonna jõujaamad aastatuhandeid. Need pöörlevad mootorid, mida juhib vool, on ka rakkudes, mis peavad töötama. Kuid nanomõõtmetes olev sünteetiline konstruktsioon on siiani jäänud tabamatuks.
"Meie vooluajamiga mootor on valmistatud DNA materjalist. Õhukeses membraanis on see struktuur dokitud nanopoori, väikese avause külge. Vaid 7 nanomeetri paksune DNA kimp organiseerub elektrivälja all ise rootorilaadseks konfiguratsiooniks, mis seejärel seatakse pidevale pöörlevale liikumisele kiirusega üle 10 pöörde sekundis.
7 aastat on teadlased püüdnud selliseid pöörlevaid nanomootoreid nullist sünteetiliselt ehitada. Selles uuringus kasutasid teadlased DNA origami tehnikat, mis kasutab 2D- ja 3D-nanoobjektide konstrueerimiseks spetsiifilisi interaktsioone komplementaarsete DNA aluspaaride vahel.
Vee ja ioonide vool annavad rootoritele toite. See saavutatakse pinge rakendamisega või lihtsamalt öeldes erineva soolasisaldusega membraani kahe küljega. Viimane on bioloogias üks rikkalikumaid energiaallikaid ja täidab mitmeid olulisi funktsioone, nagu rakkude tõukejõud ja rakukütuse tootmine.
Teadlased märkisid, "See saavutus on verstapost, kuna see on vooluga juhitavate aktiivsete rootorite esimene eksperimentaalne teostus nanomõõtmes."
Teadlased olid pärast pöörete jälgimist hämmingus: kuidas saavad sellised lihtsad DNA vardad neid toredaid ja püsivaid pöörlemisi näidata?
Nad lahendasid mõistatuse aruteludes teoreetik Ramin Golestaniani ja tema meeskonnaga Max Plancki dünaamika ja enesekorralduse instituudis Göttingenis. Nad leidsid põneva iseorganiseerumisprotsessi äsja modelleeritud süsteemi kaudu, kus kimbud deformeeruvad spontaanselt kiraalseteks rootoriteks, mis seejärel ühenduvad nanopooridest lähtuva vooluga.
Ta ütles, „See iseorganiseerumisprotsess näitab tõeliselt lihtsuse ilu. Kuid selle töö tähtsus ei piirdu selle lihtsa rootori endaga. Selle taga olev tehnika ja füüsiline mehhanism loovad sünteetiliste nanomootorite ehitamisel täiesti uue suuna: vooluga juhitud nano turbiinid, teadlaste ja inseneride poolt üllatavalt uurimata valdkond.
"Oleksite üllatunud, kui vähe me teadsime ja saavutasime selliste vooluga töötavate nanoturbiinide ehitamise, eriti arvestades aastatuhandeid vanu teadmisi, mis meil on nende makromastaabis analoogide ehitamisest ja kriitilisest rollist, mida nad elus endas täidavad."
Järgmisena tegid teadlased märkimisväärse edusammu: nad kujundasid nanomõõtmelise turbiini, kasutades teadmisi, mis saadi pärast iseorganiseerunud rootori väljatöötamist.
Ta ütles, "Nagu teadus ja tehnoloogia alati töötavad, alustasime lihtsast tiibrattast, nüüd saame taasluua kauneid Hollandi tuulikuid, kuid seekord ainult 25 nm, ühe üksiku suurusega tuulikud. valku teie kehasja nad demonstreerisid oma võimet koormaid kanda.
Uuringut juhendanud Cees Dekker ütles: "Ja nüüd määras pöörlemissuuna kavandatud kiraalsus. Vasakukäelised turbiinid pöörlevad päripäeva; paremakäelised pöörasid vastupäeva.
Ta ütles, Motoorsete valkude, nagu FoF1-ATP süntaas, parema mõistmise ja jäljendamise kõrval avavad tulemused uued perspektiivid aktiivse robootika projekteerimiseks nanomõõtmes. Oleme siin demonstreerinud nanomõõtmelist mootorit, mis on tõeliselt võimeline energiat üle kandma ja tööd tegema. Võite tuua analoogia aurumasina esimese leiutisega 18. sajandil. Kes oleks võinud siis ennustada, kuidas see meie ühiskondi põhjalikult muutis? Võib-olla oleme praegu nende molekulaarsete nanomootoritega sarnases faasis. Potentsiaalid on piiramatud, kuid tööd on veel palju.
Ajakirja viide:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Iseorganiseerunud DNA rootori pidev ühesuunaline pöörlemine nanopooril. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
