工程師打造世上最小、最快的奈米馬達

Engineers build world's smallest, fastest nanomotor
http://phys.org/news/2014-05-world-smallest-fastest-nanomotor.html

May 20, 2014

德州大學 Austin 分校 Cockrell 工程學院的研究者打造出至今最小、最快以及運作最久的微小合成馬達。這個團隊的奈米馬達（nanomotor）在微機械（miniature machines）的發展上是很重要的一步，那有朝一日能在人體內四處移動，必要時為糖尿病患者管理胰島素，或是瞄準與治療癌細胞而不會傷害正常細胞。

以提供動力給這些尚未被發明出來的裝置為目標，UT Austin 工程師聚焦在建立一種可靠、超高速的奈米馬達上，那能將電能轉換成機械運動，其規模比一粒鹽還要小 500 倍。

機械工程助理教授 Donglei "Emma" Fan （音譯：范冬蕾）領導一個研究團隊，成功地在一種非生物性的設置中設計、組裝與測試一款高效能奈米馬達。該團隊的三部件奈米馬達（three-part nanomotor）能迅速混合與汲取（mix and pump）生化藥品，並在液體內四處移動，那對於未來應用十分重要。該團隊的研究已發表在四月號的 Nature Communications 期刊上。

Fan 以及她的團隊首度達成「設計出具大驅動力之奈米馬達」這個極端困難的目標。

其全部的尺寸不到 1 微米（譯註：1 micrometer = 1,000 nanometers）能塞入一個人類細胞內，而且它能以 18,000 RPMs 的速度（這樣的速度相當於噴射飛機引擎內的馬達轉速）持續旋轉 15 個小時。能與之相比的奈米馬達則明顯慢了許多，從 14 RPMs 到 500 RPMs，而且只能旋轉幾秒到幾分鐘。

向前看，奈米馬達能促進奈米電機系統（NEMS）這個領域的發展，該領域聚焦在節能、廉價的微機械開發上。在不遠的將來，Cockrell 學院的研究者相信，她們的奈米馬達能提供一種新方法，以供控制傳遞到活細胞內的生物化學藥物。

為了測試其釋出藥物的能力，研究者在奈米馬達表面塗布一層生化藥品並且開始旋轉。她們發現，奈米馬達旋轉的愈快，藥物的釋出也愈快。

"我們能透過機械性旋轉來控制分子釋出率，那意味著我們的奈米馬達是第一款能夠從奈米粒子表面控制藥物釋出的馬達，" Fan 表示。"我們相信那將促進藥物傳遞與細胞對細胞通訊的研究。"

這些研究者處理奈米馬達到目前為止的二大問題：組裝與控制。該團隊使用一種由 Fan 發明（那時她仍在 Johns Hopkins 大學研究）、仍在申請中的專利技術來打造與運行這個奈米馬達。這項技術依賴 AC 與 DC 電場一個部件接著一個部件的組裝奈米馬達。

在實驗中，研究者使用該技術開啟與關閉奈米馬達，同時推動順時針或逆時針的旋轉。研究者發現，她們能夠使奈米馬達以某種模式（pattern）定位，並以一種同步的風格來移動它們，那使它們更強大且賦予它們更多彈性。

Fan 與她的團隊計畫發展出新的、能夠被整合到奈米電機裝置中的機械性控制與化學感應。但她們首先計畫要在一個活細胞附近測試她們的奈米馬達，那將讓 Fan 能夠測量它們如何在一種受控制的風格中遞送藥物。

※ 有點像變形金剛。相關報導：

＊ Ultrahigh-speed rotating nanoelectromechanical system devices assembled from nanoscale building blocks
http://www.nature.com/ncomms/2014/140407/ncomms4632/full/ncomms4632.html

Kwanoh Kim, Xiaobin Xu, Jianhe Guo & D. L. Fan.
Nature Communications 5, Article number: 3632
doi: 10.1038/ncomms4632

The development of rotary nanomotors is crucial for advancing nanoelectromechanical system technology. In this work, we report design, assembly and rotation of ordered arrays of nanomotors. The nanomotors are bottom-up assembled from nanoscale building blocks with nanowires as rotors, patterned nanomagnets as bearings and quadrupole microelectrodes as stators. Arrays of nanomotors rotate with controlled angle, speed (over 18,000 r.p.m.), and chirality by electric fields. Using analytical modelling, we reveal the fundamental nanoscale electrical, mechanical and magnetic interactions in the nanomotor system, which excellently agrees with experimental results and provides critical understanding for designing metallic nanoelectromechanical systems. The nanomotors can be continuously rotated for 15 h over 240,000 cycles. They are applied for controlled biochemical release and demonstrate releasing rate of biochemicals on nanoparticles that can be precisely tuned by mechanical rotations. The innovations reported in this research, from concept, design and actuation to application, are relevant to nanoelectromechanical system, nanomedicine, microfluidics and lab-on-a-chip architectures.

＊ 量子懸浮能防止奈米系統相互碰撞
＊ 首度在活細胞內受控制的奈米馬達
＊ 如何為體內深處的醫療裝置充電？