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小蚂蚁:研究人员建立世界上最小的引擎

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研究人员开发了世界上最小的引擎 - 只是一米的几十亿分之一米 - 它使用光来供电本身。由剑桥大学和巴斯大学的科学家开发的纳米级引擎可以构成未来纳米机器的基础,可以在水中导航,感知周围的环境,甚至进入活细胞以对抗疾病。

扩大涂有聚合物的金纳米粒子。图片来源:剑桥大学毅然大学

原型设备由微小的带电粒子制成,与凝胶形式的温度响应聚合物结合在一起。当使用激光将“纳米发动机”加热到一定温度时,由于聚合物涂层将凝胶中的所有水分排出并坍塌,因此它可以在几分之一秒内储存大量的弹性能量。这具有迫使金纳米颗粒结合成紧密团簇的效果。但是,当设备冷却时,聚合物会吸水并膨胀,而金纳米粒子则像弹簧一样强烈且迅速地被推开。结果在期刊 PNAS 中报道。研究报告合着者巴斯大学物理系的Ventsislav Valev博士说:“我们知道光可以加热水来为蒸汽机提供动力。 “但是现在我们可以利用光来构建纳米级引擎的活塞”

剑桥卡文迪什实验室的丁涛博士和第一作者说:“就像爆炸一样。 “当水分子向周围聚合物膨胀时,我们有数百个金球在百万分之一秒内飞散”

纳米机器一直是科学家和公众的梦想,但一直处于科幻小说领域因为制造它们的方法还没有开发出来。剑桥和巴斯研究人员开发的新方法非常简单,但速度可以非常快,并且可以发挥很大的作用。

由这些微小的设备施加的力量比任何其他以前生产的设备的力量大几个数量级,单位重量的力比任何运动或肌肉好将近一百倍。据研究人员介绍,这些器件还具有生物兼容性,制造成本低,响应速度快,能源效率高。

负责这项研究的卡文迪什实验室的杰里米·鲍伯格教授(Jeremy Baumberg)已经命名了这些设备的“蚂蚁”(ANT),或者启动了纳米传感器。 “像真正的蚂蚁一样,它们为自己的体重产生了巨大的力量。我们现在面临的挑战是如何控制纳米机器应用的这种力量。“

该研究建议如何将Van de Waals能量 - 原子和分子之间的吸引力 - 转化为聚合物的弹性能量并快速释放。 “整个过程就像一个纳米弹簧,”鲍伯格说。 “这里的巧妙之处在于我们利用范德瓦尔斯对重金属颗粒的吸引力来设置弹簧(聚合物)和水分子释放它们,这是非常可逆和可重复的。”

该团队目前正在与剑桥企业,大学的商业化部门以及其他一些公司,目的是将这项技术用于微流体生物应用的商业化。

这项研究是作为英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)在剑桥纳米光子学中心以及欧洲研究理事会(ERC)投资的一部分资助的。 Valev博士的研究得到了皇家学会的大学研究奖学金的支持。

巴斯大学(University of Bath)的物理学研究91%在2014年独立评估的卓越研究框架中被评为世界领先或国际优秀。

资料来源:巴斯大学

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