科学家发明光能纳米分子马达

近日,国际学术期刊《纳米通讯》在线报道了一种新型的由光子驱动的“分子纳米马达”.这种单分子马达将光能高效地转变成机械力,不仅能将光能的利用率从过去的10%提高到25%以上,还没有人们所忧虑的在其过程中所产生的环境污染问题.据介绍,分子马达可以为未来的纳米器件提供一种能量源泉.如果要实现纳米机器的设想,提供能量的动力系统是个关键部分,即使工艺再精致,人们也不可能制作出纳米数量级的机械动力系统,所以科学家们寄希望于分子马达可以为纳米机器提供动力.这项研究由美国佛罗里达大学化学系华裔科学家谭蔚泓教授领导的一个研究小组完成.

谭蔚泓在大洋彼岸接受了《科学时报》的电话采访.他介绍,这个马达主要由一个具有发夹结构的DNA分子组成,并嵌入了光敏性的偶氮苯组分来完成可逆的光控转换操作.在紫外—可见光的照射下,这个单分子纳米马达可以达到40%～50%的开关转换效率.同时,在常温常压条件下,纳米马达就可以表现出良好的、规整的可控性,并具有无废料排除的特性.与其他多组分的DNA纳米马达相比,这种单分子马达由于其单组分特性,分子运动主要受独特的分子内相互作用的影响,从而可以减少分子间作用力的干涉,并表现为浓度非依赖性.

他主持的这项研究由美国科学基金会和卫生总署支持.研究小组设计的由光子控制驱动的单分子纳米马达,由一个分子吸收一个光子后,可产生大约20×10-12的牛顿力,并做机械运动.

与科学家以往研究不同的是:过去关于太阳能的研究主要是光—热转换或光—电转换,而非直接产生机械力.目前,他们设计的单分子马达,理论上的光能利用率很高,目前实验实现的利用率为25%.

他们设计的单个纳米马达的尺寸只有2～5纳米,若把这些马达组装在一起,尺寸可达到10～12纳米.因此,若把这种马达用来吸收太阳能,相比传统的太阳能电池,能更有效地利用太阳能.

然而,纳米马达产生的动力与其尺寸有关.纳米马达尺寸很小,目前这项技术离实用还有很远的距离.如果要用这种马达来驱动汽车或其他大型设备,需要把大量的纳米马达装配在一起,目前尚有困难.

谭蔚泓说:“主要的困难在于如何把这些马达由阳光照射所产生的分子级动力累积在一起,输出可用的动力.目前我们已开始制造这类装置的原型机.”

他还介绍,研究小组中的博士研究生康怀志和陈燕正在研究分子组装方法,把单个的分子马达有序地结合起来,以充分利用太阳提供的光能.这种分子组装方法可将大量的分子集合起来,以实现有效的分子力的利用.

谭蔚泓曾先后就读于湖南师范大学和中国科学院.1993年获美国密执安大学博士学位.目前为佛罗里达大学化学系教授、纳米生物技术研究中心副主任,并在该校癌症研究中心和大脑研究所担任研究员.

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