利用细菌建造纳米发动机

小牛探花

中国公众科技网 2006年4月23日
4 e3 n4 C  s  ?4 g0 \1 }
现在纳米系统的移动问题迫切需要解决，因为迄今为止尚未找到一种简单安全可控制纳米机器激活的方法。该领域最新研究表明，各种细菌移动方案完全可以用来建造人造纳米发动机。

有些研究人员向自然界求助，寻求发明新型纳米发动机，的确，某些细菌的鞭毛发动机显示出非常令人感兴趣的物理特性，这些特性能成功地用于纳米或微型机器中。但是鞭毛质子发动机结构的复杂性暂时不能用来建造传统的纳米工艺仪器。

Esherichia杆菌是纳米工艺学家的希望，它可以成为未来纳米生物机器人的制备“基础”。为了游动，它利用特殊的生物电机旋转自己的鞭毛，当鞭毛按逆时针开始同步旋转时，鞭毛会扭绞成一束，从而形成特殊的螺旋桨。螺旋桨旋转产生迫使细菌几乎沿直线运动的力，此后鞭毛的旋转方向会变成相反方向，这时鞭毛束会散开，细菌会停下来，不是向前运动而是开始作不规则转动。

细菌电机是利用细胞质膜上质子电势差作为能源的装置，可以肯定地说，细菌电机是类似人类制造的直流电机。细菌电机工作起来非常有效率，细菌能以约25微米/秒的平均速度游动，但是有些种类细菌能以超过100微米/秒的速度游动。这意味着，在短短的1秒内细菌移动的距离超过自身长度几十至几百倍。科学家饶有兴趣地对细菌运动进行了类比，例如游泳运动员每秒能游超过自己身长10倍的距离，则在泳池中游完100米距离只需要5秒左右。

; S6 O! s4 V6 |9 M! p通常细菌电机的旋转速度可达到50-100转/秒，但是有些种类细菌的旋转速度可以超过1000转/秒。能使细菌鞭毛如此快速旋转的电机非常节省能量，它们消耗的能量不超过细菌细胞能源的1%，但是这种能量只能在基因工程学基础上合成，并且很难控制。
/ u+ D$ }6 Y0 O) \7 \' A
0 c5 x7 Q" r& B* \最近生物学家开辟了另一种激活微型或纳米机器的方法，即利用天然喷气运动。喷气发动机卓有成效地被几种细菌所利用，例如Myxobacteria细菌能强有力地喷射粘液束，可以用作“纳米火箭”原型，“纳米火箭”已通过现代微型液体系统工艺研制而成。美国康涅狄格大学专门研究聚合物的安德烈·多勃雷宁教授说，“这是真正的微型火箭”。从某组“喷嘴”喷射粘液束能使细菌向前或向后运动，运动速度可达到10微米/秒。原先生物学家认为，这粘液主要是用作润滑，但是无法准确解释为什么细菌竟然因此能向前或向后运动。经过生物学家与物理学家的通力合作查明，这些细菌是通过反冲力来向前运动，即通过喷射粘液束来产生反冲力。

. J* j9 m- l$ ^/ V2 u( H每个细菌大约拥有250个喷嘴，它们能合成大量粘液……
3 V' i/ \: g, g# m6 E