Nanomotors and Molecular Locomotive


  今天下午复旦大学的王志松教授来我们系做了名为“Physics of Nano-work Cycles” 的报告。这是一个非常有趣的报告。
王教授在报告中介绍了他提出一个原创性的想法:纳米机车。他先从卡诺循环开始讲起。当年的工程师卡诺给出了所有机器做功的一般性的原理,奠定了热力学 第二定律的基础。1959年费曼提出我们是否可以在原子分子层面上设计控制机器。费曼当年之所以有这个想法,并且抱有肯定的观点,是因为他从当时刚刚兴起 的分子生物学中得到了启发。王教授介绍说,分子生物学研究表明,在生物体内就有这样的纳米机器。近年来的研究表明,我们体内的蛋白质就是由一种名叫 “Kinesin”的生物马达运输的,其能量由ATP提供。其实在这个过程中,就有一个功循环。
2002年的《科学》上有篇论文,指出可以用光致极化效应完成一个功循环。基本的原理是分子在一定波长的激光照射下其长度会变有两种长度不等的位形, 且其弹性系数不同。把分子一端用化学键粘在基底上,另外一端粘在控制端。初始时分子处于较长的位形,拉长控制端,然后用激光照射它,分子变为较短的位形, 这时就会很快的收缩,收缩到一定程度,又用另外一束光照射,让它回到较长的位形,它又会伸张,这样就完成一个循环。
王教授在这篇文章的启发下想到,如果我们可以让一个分子的两端与轨道用化学键联接起来,用激光控制化学键的开闭以及分子不同长短的位形,那我们不就可 以得到一个分子机车了么?想象一下,就像毛毛虫在树枝上爬行一样,这个纳米级的机车也可以在碳纳米管上爬行。之所以选择化学键,是因为对纳米机车来说,周 围的热运动太剧烈了,而化学键键能很大,对热运动免疫,利于我们控制。
王教授后来还提到一些技术细节,我这里就不记录了。但是我感觉这前面的想法非常吸引人。王教授说,这看起来就象一个玩具一样,可是是在精密的计算下得 到的。他说他现在准备从理论和实验上来完善这个纳米机车,希望能够尽快实现它。后来有人问这个纳米机车有什么用。王教授回答说,比如在医学中,可以用这个 纳米机车把药物直接输送到患处,减少副作用。还有很多别的我们现在还想不到的应用。因为这个纳米机车打开了一个新的物理世界,等待我们去探询。比如纳米机 车的卡诺定律我们现在就不知道。未来纳米技术的一个关键肯定是纳米机器的研究与发展。
最后记录一下报告前我们物理学科主任介绍王教授时说的话,我们做物理的,跟着别人的发现往下做,可以做出很大的成就,可是原创性的观念不是自己发明的。而象王志松教授这样提出一个原创的东西,开启一个新的领域,才更重要,才可能获得诺贝尔奖。

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