基于热激活曲面金基底的全富勒烯纳米机器运动机制优化研究

《Scientific Reports》：Motion of fullerene nanomachines on thermally activated curved gold substrates

编辑推荐：本研究针对纳米尺度材料运输中运动控制难题，通过分子动力学模拟系统分析了C60、C80等富勒烯纳米车在曲面金基底（20-30 ?）的热驱动行为。发现小轮径纳米车在高温（500-600 K）下位移更优，而C80/C36构型在特定温度表现突出，为纳米机器人定向运输提供了新型设计范式。

　　

在纳米科技迅猛发展的今天，如何实现分子尺度货物的精准运输成为制约生物医药和材料科学发展的关键瓶颈。自然界中，马达蛋白等生物分子机器虽能高效完成细胞内运输，但人工设计的纳米机器人仍面临尺寸过大（可达载荷的数百倍）、运动可控性差等挑战。特别是当这些纳米机器人在复杂表面运动时，温度波动和基底形貌会显著影响其运动轨迹，这就像让一辆微型赛车在反复变形的赛道上保持稳定行驶般困难。

针对这一难题，伊朗Sharif理工大学机械工程学院的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项创新研究。他们通过分子动力学模拟（MD）系统考察了六种富勒烯纳米车（C₃₆-C₉₀）在热激活曲面金基底的运动规律，首次揭示了轮径尺寸与温度场的协同效应。这项研究不仅为纳米运输器的优化设计提供了定量标准，更发现了传统C₆₀纳米车存在显著路径偏移的缺陷，推动该领域向更高效的C₈₀/C₃₆混合构型发展。

研究团队主要采用三大关键技术：1）基于EAM（Embedded Atom Method）势函数模拟金基底原子相互作用；2）利用LAMMPS软件进行8纳秒的分子动力学模拟（时间步长1飞秒）；3）采用Lennard-Jones 6-12势函数计算碳-金范德华力，截断半径设定为13 ?。温度控制通过Nose-Hoover热浴实现，范围覆盖75-600 K的工况条件。

结果与发现

位移性能的温度依赖性
在半径25 ?的圆柱/凹槽金基底上，小轮径纳米车（如C₃₆）在高温（>300 K）下位移显著优于大轮径构型。当温度升至600 K时，C₅₀纳米车在圆柱基底位移达17.5 nm，比C₉₀构型提高40%。这源于质量效应：较轻的纳米车更易被热振动激活，而大轮径纳米车（如C₉₀）因质量过大导致惯性阻力增强。

基底形貌的关键影响
圆柱基底因缺乏高能吸附位点，使纳米车平均位移比凹槽基底提高22%。特别是在300 K时，C₈₀构型在圆柱基底的扩散系数达0.015 ?²/ps，满足长程运动的最低阈值（>0.01 ?²/ps）。而凹槽基底由于表面能梯度，导致纳米车频繁被"捕获"在局部能量阱中。

运动稳定性的突破
角速度分析揭示C₆₀纳米车存在严重路径偏移（角速度>0.15 rad/ps），而C₈₀构型在400 K时角速度降低60%。有效速度参数显示，圆柱基底上纳米车的定向运动占比达78%，比平面基底提高50%，这得益于曲面几何与富勒烯轮的结构匹配。

最优构型筛选
通过建立温度-轮径性能图谱，研究确定C₈₀在低温（75-150 K）、C₃₆/C₅₀在高温（>400 K）为最优选择。值得注意的是，C₆₀在所有测试条件下均未进入前三，这一发现直接挑战了该领域长期依赖C₆₀的设计传统。

结论与展望
该研究通过原子尺度模拟揭示了富勒烯纳米机器"质量-温度-形貌"三重耦合机制，建立了曲面基底热驱动运输的定量优化框架。其核心突破在于：1）发现小轮径纳米车的高温优势效应；2）证实圆柱基底对运动定向性的提升作用；3）提出C₈₀/C₃₆替代C₆₀的创新方案。这些发现不仅为肿瘤靶向给药等生物医学应用提供了更优的纳米运输载体，也为开发下一代热-电双驱动纳米机器人奠定了理论基础。未来研究可结合STM实验验证模拟结果，并探索金纳米管（AuNTs）等新型基底对运输效率的进一步提升。