华人女科学家制备史上最小最快的纳米电机

最近，美国德克萨斯大学（UT）奥斯汀分校克雷尔工程学院的研究人员，构建了迄今为止最小、最快和运行时间最长的微小纳米电机（nanomotor）。相关研究结果发表在最近的《Nature Communications》杂志。

　　

生物通报道：最近，美国德克萨斯大学（UT）奥斯汀分校克雷尔工程学院的研究人员，构建了迄今为止最小、最快和运行时间最长的微小纳米电机（nanomotor）。这个纳米电机，向未来研制可穿过身体为糖尿病患者传递胰岛素药物，或靶定和治疗癌细胞而不伤害正常细胞的微型机器，迈出了重要的一步。

UT奥斯汀分校的工程师们，目标是为这些有待发明的设备提供动力，他们集中于构建一种可靠、超高速的纳米电机，可在比一粒盐小500倍的规模上，将电能转换为机械运动。

本文通讯作者、机械工程学助理教授范冬蕾（音译，Donglei Fan），1999年本科毕业于南京大学化学专业，先后在美国约翰霍普金斯大学获得了材料科学硕士和工程学博士学位。2007至2009年期间在约翰霍普金斯大学从事博士后工作。2012年，她获得了享有声望的美国国家科学基金会CAREER奖，同时也是60位美国和欧洲年轻工程师之一。其研究小组主要研究创新方法，为纳米材料的制备和它们在生化传感、MEMS/NEMS、能量转换和存储装置的应用，搭建一座桥梁。先后在Nature Nanotechnology、PNAS、Nano Today、Physical Review Letters、Advanced Materials等著名期刊发表论文。

Fan博士带领其研究小组，成功地设计、组装了高性能的纳米电机，并在一种非生物设置中对其进行检测。这种纳米电机由三部分组成，可以快速混合和挤压生化药剂，并可穿过液体，这对于未来的应用非常重要。相关研究结果发表在最近的《Nature Communications》杂志。

Fan和她的研究团队，首次实现了“用大驱动功率来设计纳米电机”这个极其困难的目标。这种电机的尺寸规格小于1微米，可以容纳在一个人体细胞中，并能以18,000 RPM的转速连续旋转15个小时，相当于一架喷气式飞机的电机转度。类似的纳米电机运转明显更慢，从14RPM到500RPM，并且只能旋转几秒到几分钟的时间。

展望未来，纳米电机可推进纳机电系统（NEMS）领域的发展，这个领域主要集中于开发能源效率更高和更便宜的微型机器设备。克雷尔学院的研究人员相信，在不久的将来，他们的纳米电机可以提供一种新方法，来控制活细胞的生化药物传递。

为了检测这种纳米电机释放药物的能力，研究人员在其表面包覆生化药剂，并开始旋转。他们发现，纳米电机旋转的越快，药物释放就越快。

Fan指出：“我们能够通过机械旋转来制定和控制分子释放的速度，这意味着，我们的纳米电机是同类当中第一个可控制纳米粒子表面药物释放的。我们相信，这将有助于推进药物传递和细胞间通讯的研究。”

本研究解决了目前纳米电机领域的两个主要问题：组装和控制。研究小组利用正在申请专利的一项技术（Fan在约翰霍普金斯大学读书时发明的），构建和运转纳米电机。该技术依靠AC和DC电场，逐个组装纳米电机的每一部分。

在实验中，研究人员使用这种技术，打开和关闭纳米电机，推动其顺时针或逆时针方向的旋转。研究人员发现，他们可以将纳米电机安置在一种模式中，并以同步方式移动它们，这使它们更加的强大，也给它们更多的灵活性。

Fan和她的研究小组，计划开发新的机械控制和化学传感技术，可以集成到纳机电设备中。但是首先他们计划在活细胞中测试这种纳米电机，这可让研究人员检测纳米电机如何以受控的方式传递分子。

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
Ultrahigh-speed rotating nanoelectromechanical system devices assembled from nanoscale building blocks
Abstract: 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.