根据发表在《自然纳米技术》杂志上的一项研究，科学家们已经制造出了世界上第一台可工作的纳米级电动机。该科学团队设计了一种由DNA工程制成的涡轮，它由纳米孔内的流体动力提供动力，纳米孔是固态氮化硅膜上的一个纳米大小的孔。
这种微型马达可能有助于激发对未来应用的研究，比如为有用的化学物质建造分子工厂，或者在血液中的分子进行医学探针，以检测癌症等疾病。
“普通的宏观机器在纳米尺度上变得低效，”该研究的合著者、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学教授阿列克谢·阿克西门耶夫(Aleksei Aksimentiev)说。“我们必须开发新的原理和物理机制，在非常非常小的尺度上实现电动机。”
微型马达的实验工作是由代尔夫特理工大学的Cees Dekker和慕尼黑工业大学的Hendrik Dietz进行的。
迪茨是DNA折纸领域的世界级专家。他的实验室利用DNA分子制造了微型马达的涡轮，涡轮由30个双链DNA螺旋组成，它们被设计成一个轴和三个大约72个碱基对长度的叶片。德克尔的实验室工作证明，涡轮机确实可以通过施加电场来旋转。阿克西门耶夫的实验室在一个由500万个原子组成的系统上进行了全原子分子动力学模拟，以表征马达如何工作的物理现象。
该系统是能够产生有关实验的有意义结果的最小表示;然而，“从DNA折纸的角度来看，这是有史以来最大的模拟之一，”阿克西门耶夫说。
《碟中谍》到《碟中谍
德克萨斯高级计算中心(TACC)授予Aksimentiev领导资源分配奖，以帮助他在美国国家科学基金会(NSF)资助的顶级学术超级计算机Frontera上研究中尺度生物系统
“Frontera在DNA纳米涡轮研究中发挥了重要作用，”Aksimentiev说。“我们在两到三周内获得了微秒级的模拟轨迹，而不是在较小的计算系统上等待一年或更长时间。大型模拟是在Frontera上完成的，使用了大约四分之一的机器——超过2000个节点。”“然而，这不仅仅是硬件，还有与TACC员工的互动。一旦有机会，充分利用资源是非常重要的。”
Aksimentiev还获得了由美国国家科学基金会(nsf)资助的高级网络基础设施协调生态系统:服务与支持(ACCESS)的超级计算机分配，该超级计算机由圣地亚哥超级计算机中心和普渡大学的Anvil扩展。
“我们需要模拟多达100种不同的纳米运动系统。我们必须在不同的条件下快速运行它们，ACCESS超级计算机在这方面提供了完美的帮助。”“非常感谢美国国家科学基金会的支持——如果没有这些系统，我们将无法开展科学研究。”
DNA是一个积木
DNA纳米涡轮机的成功是建立在先前使用Frontera和ACCESS超级计算机的研究基础上的。研究表明，单个DNA螺旋是人们所能制造的最小的电动机——它每分钟可以旋转10亿圈。
根据Aksimentiev的说法，DNA已经成为纳米级的建筑材料。
“DNA碱基对是一种非常强大的编程工具。我们可以使用Cadnano软件，通过编程构成双螺旋阶梯的字母序列，从DNA中编程几何三维物体，”他解释说。
使用DNA作为构建模块的另一个原因是它携带负电荷，这是制造电动机的基本特征。
“我们想重现最壮观的生物机器之一——ATP合酶，它是由电场驱动的。我们选择用DNA来制造马达，”阿克西门耶夫说。
“这项新工作是我们第一个可以控制转速和方向的纳米级电机，”他补充说。这是通过调整固态纳米孔膜上的电场和转子周围液体的盐浓度来实现的。
“在未来，我们可能能够使用新的纳米级电动机合成分子，或者我们可以将其用作更大的分子工厂的一个元素，在那里物体可以移动。或者我们可以把它想象成一种软推进的载体，在那里合成系统可以进入血液，一次探测一个分子或细胞，”Aksimentiev说。
如果你觉得这听起来像是20世纪60年代科幻电影里的情节，那你就对了。在电影《神奇航行》中，一队美国人在核潜艇上被缩小并注射到一名科学家的体内，以修复血块，并需要在小型化的效果消失之前迅速工作。
虽然这听起来很牵强，但阿克西门耶夫说，我们今天正在开发的机器的概念和元素可以使这样的事情发生。
“我们之所以能够做到这一点，是因为有了超级计算机，”阿克西门耶夫说。“随着我们构建的系统越来越复杂，超级计算机变得越来越不可或缺。它们是计算显微镜，在最终分辨率下可以看到单个原子的运动，以及它是如何与更大的系统耦合的。”
资金来自ERC高级资助项目。883684和nanfront和BaSyC程序;伦理委员会有限公司给H.D.的补助金(GA号)724261)，德国Forschungsgemeinschaft通过gottfried - william - leibniz计划(hd)和SFB863项目ID 111166240 TPA9;国家国家科学基金会拨款DMR-1827346;马克斯·普朗克学院对生命的重要性和MaxSynBio联盟。超级计算机时间通过TACC领导资源分配MCB20012提供并通过ACCESS分配MCA05S028。
