Броуновские двигатели — это наномасштабные или молекулярные машины , которые используют химические реакции для создания направленного движения в пространстве. [1] Теория, лежащая в основе броуновских двигателей, основана на явлении броуновского движения , хаотического движения частиц, взвешенных в жидкости ( жидкости или газе ), в результате их столкновения с быстро движущимися молекулами в жидкости. [2]
В наномасштабе (1-100 нм) вязкость доминирует над инерцией , а чрезвычайно высокая степень теплового шума в окружающей среде делает обычное направленное движение практически невозможным, поскольку силы, толкающие эти двигатели в желаемом направлении, ничтожны по сравнению со случайными силами, оказываемыми окружающей средой. Броуновские двигатели работают специально, чтобы использовать этот высокий уровень случайного шума для достижения направленного движения, и как таковые жизнеспособны только в наномасштабе . [3]
Концепция броуновских двигателей появилась недавно, ее придумал только в 1995 году Петер Хенгги , но существование таких двигателей в природе могло существовать очень долго и помочь объяснить важнейшие клеточные процессы , требующие движения в наномасштабе , такие как синтез белка и мышечное сокращение . Если это так, броуновские двигатели могут иметь значение для основ самой жизни . [3]
В более позднее время люди пытались применить эти знания о природных броуновских двигателях для решения человеческих проблем. Применение броуновских двигателей наиболее очевидно в наноробототехнике из-за ее неотъемлемой зависимости от направленного движения. [4] [5]
Пусть место одиночек
Будет местом вечного колебания.
Будь то посреди моря
На темном, зеленом водяном колесе
Или на пляжах,
Там не должно быть прекращения
Движения или шума движения,
Возобновления шума
И многократного продолжения;
И, больше всего, движения мысли
И ее беспокойного повторения,
В месте одиночек,
Которое должно быть местом вечного колебания.
Уоллес Стивенс (1879-1955).
Термин «броуновский двигатель» был первоначально изобретен швейцарским физиком-теоретиком Петером Хенгги в 1995 году. [3] Броуновский двигатель, как и явление броуновского движения, лежащее в основе его базовой теории, был также назван в честь шотландского ботаника 19 века Роберта Брауна , который, рассматривая в микроскоп пыльцу растения Clarkia pulchella , погруженную в воду, в 1827 году описал беспорядочное движение частиц пыльцы в воде. В 1905 году, почти восемьдесят лет спустя, физик-теоретик Альберт Эйнштейн опубликовал статью , в которой он смоделировал движение пыльцы как перемещение отдельными молекулами воды , [6] и это было экспериментально подтверждено Жаном Перреном в 1908 году, который был удостоен Нобелевской премии по физике в 1926 году «за свою работу по прерывистой структуре материи». [7] Эти разработки помогли создать основы современных теорий наномасштабного мира .
Нанонаука традиционно долгое время находилась на стыке физических наук — физики и химии , но последние достижения в исследованиях все больше выводят ее за рамки любой из этих двух традиционных областей. [8]
В 2002 году в журнале Американского института физики Physics Today была опубликована основополагающая статья о броуновских двигателях под названием «Броуновские двигатели» Дина Астумиана и Питера Хэнги . Там они предложили новую на тот момент концепцию броуновских двигателей и предположили, что «тепловое движение в сочетании с входящей энергией порождает канализацию случайности, которая может быть использована для осуществления контроля над микроскопическими системами». В своей статье Астумиан и Хэнги приводят копию стихотворения Уоллеса Стивенса 1919 года «Место одиночества» , чтобы изящно проиллюстрировать с абстрактной точки зрения непрерывную природу шума.
Вдохновленные захватывающим механизмом, с помощью которого белки движутся в условиях теплового шума, многие физики работают над пониманием молекулярных моторов в мезоскопическом масштабе. Важным выводом из этой работы является то, что в некоторых случаях тепловой шум может способствовать направленному движению, предоставляя механизм для преодоления энергетических барьеров. В таких случаях говорят о «броуновских моторах». В этой статье мы сосредоточимся на нескольких примерах, которые выявляют некоторые выдающиеся базовые физические концепции, которые появились. Но сначала отметим, что поэты тоже были очарованы шумом; см. вставку 1.
...
В микроскопическом мире «Не должно быть прекращения / Движения или шума движения» (вставка 1). Вместо того чтобы бороться с ним, броуновские двигатели используют непрерывный шум для эффективного и надежного перемещения частиц.
— Дин Астумиан и Питер Хэнги, «Brownian Motors»
Через год после статьи Астумиана-Хэнгги группа органической химии Дэвида Ли сообщила о первых искусственных молекулярных броуновских двигателях. [9] В 2007 году та же группа сообщила о молекулярном информационном храповике, вдохновленном демоном Максвелла . [10]
Еще одной важной демонстрацией наноинженерии и нанотехнологий стало создание практического искусственного броуновского двигателя компанией IBM в 2018 году. [11] В частности, энергетический ландшафт был создан путем точного формирования наножидкостной щели, а затем для «раскачивания» наночастиц с целью создания направленного движения использовались переменные потенциалы и осциллирующее электрическое поле. Эксперимент успешно заставил наночастицы двигаться по траектории в форме контура логотипа IBM и стал важной вехой в практическом использовании броуновских двигателей и других элементов в наномасштабе .
Кроме того, различные учреждения по всему миру, такие как Наноинститут Сиднейского университета , со штаб-квартирой в Сиднейском нанонаучном центре (SNH), и Швейцарский наноинститут (SNI) в Базельском университете , являются примерами исследовательской деятельности, возникающей в области нанонауки. Броуновские двигатели остаются центральной концепцией как в понимании природных молекулярных двигателей , так и в создании полезных наномасштабных машин , которые включают направленное движение. [4] [5]
Исследования в области нанонауки в Швейцарском институте нанонауки (SNI) сосредоточены на областях потенциальной выгоды для наук о жизни, устойчивого развития и информационно-коммуникационных технологий. Цель состоит в том, чтобы исследовать явления в наномасштабе и выявлять и применять новые новаторские принципы. Это подразумевает погружение исследователей в мир отдельных атомов и молекул. На этом уровне классические дисциплины физики, биологии и химии сливаются в одну. Таким образом, междисциплинарное сотрудничество между различными отраслями науки и институтами является ключевым элементом повседневной работы SNI.
— Швейцарский институт нанотехнологий, веб-сайт Базельского университета
Тепловой шум в наномасштабе настолько велик, что движение в определенном направлении так же сложно, как «идти в урагане » или «плавать в патоке ». [8] Теоретическая работа броуновского двигателя может быть объяснена теорией храпового механизма, в которой сильные случайные тепловые колебания позволяют перемещать частицу в желаемом направлении, в то время как энергия расходуется на противодействие силам , которые могли бы вызвать движение в противоположном направлении. Это движение может быть как линейным, так и вращательным. В биологическом смысле и в той степени, в которой это явление проявляется в природе, оно существует, поскольку химическая энергия исходит из молекулы аденозинтрифосфата (АТФ).
Броуновская трещотка — это, по-видимому, вечный двигатель , который, по-видимому, нарушает Второй закон термодинамики , но позже был разоблачен при более детальном анализе Ричардом Фейнманом и другими физиками . Разница между реальными броуновскими двигателями и вымышленными броуновскими храповиками заключается в том, что только в броуновских двигателях есть вход энергии для обеспечения необходимой силы , чтобы удерживать двигатель на месте, чтобы противодействовать тепловому шуму , который пытается двигать двигатель в противоположном направлении. [12]
Поскольку броуновские двигатели полагаются на случайную природу теплового шума для достижения направленного движения, они являются стохастическими по своей природе, то есть их можно анализировать статистически , но нельзя точно предсказать. [13]
В биологии многое из того, что мы понимаем как молекулярные моторы на основе белков, может быть также броуновскими моторами. Эти молекулярные моторы облегчают критические клеточные процессы в живых организмах и, действительно, являются основополагающими для самой жизни .
Исследователи достигли значительных успехов в изучении этих органических процессов , чтобы получить представление об их внутренней работе. Например, молекулярные броуновские моторы в форме нескольких различных типов белков существуют внутри человека. Два распространенных биомолекулярных броуновских мотора — это АТФ-синтаза , вращательный мотор, и миозин II , линейный мотор. [13] Моторный белок АТФ-синтаза производит вращательный момент , который облегчает синтез АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (P i ) посредством следующей общей реакции:
АДФ + Pi + 3H + выход ⇌ АТФ + H2O + 3H + вход
Напротив, крутящий момент, создаваемый миозином II, является линейным и является основой для процесса сокращения мышц . [13] Аналогичные двигательные белки включают кинезин и динеин , которые преобразуют химическую энергию в механическую работу путем гидролиза АТФ . Многие двигательные белки внутри человеческих клеток действуют как броуновские двигатели , производя направленное движение в наномасштабе , и некоторые распространенные белки этого типа проиллюстрированы следующими компьютерными изображениями .
Значимость броуновских двигателей для обеспечения направленного движения в наноробототехнике становится все более очевидной для исследователей как из академических кругов, так и из промышленности. [4] [5]
Искусственные копии броуновских двигателей информированы природой и отличаются от нее, и одним из конкретных типов является фотомотор, в котором двигатель переключает состояния из-за импульсов света и генерирует направленное движение. Эти фотомоторы, в отличие от своих природных аналогов ˇ, являются неорганическими и обладают большей эффективностью и средней скоростью , и, таким образом, лучше подходят для использования человеком, чем существующие альтернативы, такие как органические белковые двигатели. [14]
В настоящее время одной из шести текущих «Грандиозных задач» Наноинститута Сиднейского университета является разработка наноробототехники для здравоохранения , ключевым аспектом которой является « литейное производство наноразмерных деталей », которое может производить наноразмерные броуновские двигатели для « активного транспорта по телу». Институт прогнозирует, что среди последствий этого исследования — «сдвиг парадигмы» в здравоохранении «от модели « сломать-починить » к фокусу на профилактике и раннем вмешательстве», как в случае с сердечными заболеваниями : [15]
Изменения на молекулярном уровне при ранних сердечных заболеваниях происходят в наномасштабе. Чтобы обнаружить эти изменения, мы создаем нанороботов, меньших, чем клетки, которые будут перемещаться по телу. Это позволит нам заглянуть внутрь даже самых узких кровеносных сосудов, обнаружить жировые отложения (атеросклеротические бляшки), которые сигнализируют о начале закупорки артерий и позволят начать лечение до того, как болезнь прогрессирует.
...
Влияние этого проекта будет обширным. Он улучшит результаты в области здравоохранения для всех австралийцев с сердечными заболеваниями и сократит расходы на здравоохранение. Он может принести пользу и другим проблемам со здоровьем, включая рак, деменцию и другие нейродегенеративные заболевания. Он предоставит среду для совместной работы мирового класса для обучения следующего поколения австралийских исследователей, стимулируя инновации и развитие новых отраслей и рабочих мест в Австралии.
Профессор Пол Бэннон, кардиоторакальный хирург международного уровня и ведущий медицинский исследователь , [16] [17] резюмирует преимущества наноробототехники для здравоохранения. [15]
Если бы я мог уменьшить себя до размеров тела... Я мог бы обнаружить ранние, поддающиеся лечению повреждения ваших коронарных артерий, когда вам 25 лет, и таким образом избежать вашей преждевременной смерти.
— Профессор Пол Бэннон, бакалавр медицины и хирургии, доктор философии, член Американской коллегии хирургов
