想象一下，我們可以製造像細菌或分子一樣小的汽車、飛機和潛艇。注射到體內的微型機器人外科醫生可以定位並中和疾病的原因——例如，動脈內的斑塊或可能導致阿爾茨海默病蛋白質沉積物。奈米機器——具有奈米級特徵和元件的機器人——可以穿透橋樑的鋼樑或飛機的機翼，在看不見的裂縫擴散並導致災難性故障之前將其修復。
近年來，化學家們創造了一系列非凡的分子尺度結構，這些結構可能成為微型機器的部件。例如，萊斯大學的詹姆斯·圖爾和他的同事們合成了一種分子尺度的汽車，其輪子是四個巴克球（形狀像足球的碳分子），比人類細胞小 5,000 倍。
但看看奈米汽車的引擎蓋下，你不會發現發動機。到目前為止，圖爾的奈米汽車的移動僅僅是因為它們受到周圍分子的隨機碰撞的推動，這個過程被稱為布朗運動。這是分子機器目前最大的問題：我們知道如何製造它們，但我們仍然不知道如何為它們提供動力。
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在活細胞或更小的尺度上，這項任務提出了一些獨特的挑戰。空氣和水感覺像糖蜜一樣粘稠，布朗運動不利於迫使分子以精確的方式移動。在這種條件下，汽車或吹風機等動力馬達的奈米級版本——假設我們知道如何製造那麼小的馬達——甚至永遠無法啟動。
相比之下，自然界提供了許多奈米馬達的例子。要了解它們能做什麼，只需看看活細胞就知道了。細胞使用奈米引擎來改變其形狀、在分裂時推開染色體、構建蛋白質、吞噬營養物質、輸送化學物質等等。所有這些馬達，以及為肌肉收縮和細菌鞭毛的螺旋運動提供動力的馬達，都基於相同的原理：它們將化學能——通常以三磷酸腺苷或 ATP 的形式儲存——轉化為機械能。並且都利用催化劑，即能夠促進化學反應（如 ATP 分解）的化合物。研究人員現在正在透過應用類似的原理，在構建人造奈米馬達方面取得令人興奮的進展。
2004 年，我們是賓夕法尼亞州立大學一個團隊的成員，該團隊開發了簡單的奈米馬達，可以將燃料分子中儲存的能量催化轉化為運動。我們的靈感來自哈佛大學的魯斯泰姆·伊斯馬吉洛夫和喬治·懷特塞茲在 2002 年報告的一種相當大的催化馬達。哈佛團隊發現，在水和過氧化氫 (H2O2) 水箱表面，船尾帶有催化鉑條的釐米級“船隻”會自發移動。鉑促進 H2O2 分解為氧氣和水，形成的氧氣氣泡似乎通過後坐力推動船隻前進，就像火箭尾部噴出的廢氣給火箭提供前進推力一樣。
可信的縮小
我們微型化的哈佛引擎版本是一根金鉑棒，長度與細菌細胞（兩微米）大致相同，寬度為其一半（350 奈米）。我們的棒材混合在溶液中，而不是漂浮在表面上。就像細胞內由 ATP 驅動的分子馬達一樣，這些微小的催化圓柱體基本上浸泡在自己的燃料中。它們確實以每秒數十微米的速度自主移動，在顯微鏡下看起來非常像活的游泳細菌 [觀看影片]。
然而，正如科學中經常發生的那樣，導致實驗的假設是錯誤的。我們曾想象我們的奈米棒從尾部噴射出微小的氣泡，並被後坐力推動前進。但它們實際所做的事情更有趣，因為它提醒奈米技術專家，我們必須以非常不同的方式思考小長度尺度上的運動。
在宏觀尺度上，後坐力的概念很有道理。當有人游泳或划船時，他們的胳膊、腿或槳會向後推水，而後坐力會將身體或船隻向前推。這樣，即使停止推動，游泳者或船隻也可以向前滑行。物體滑行多遠取決於粘性力或阻力，以及慣性，即物體抵抗速度變化的阻力。阻力與物體的寬度成正比，而慣性與物體的質量成正比，而質量又與寬度的三次方成正比。對於較小的物體，慣性比阻力下降得快得多，變得可以忽略不計，因此阻力勝出。在微米尺度上，任何滑行都會在大約一微秒內結束，滑行距離小於 1/100 奈米。因此，對於水中微米大小的物體，游泳有點像在蜂蜜中跋涉。奈米馬達對任何推動它的東西都沒有記憶——沒有慣性——慣性推進方案（例如氣泡後坐力後的漂移）是毫無希望的。
我們的奈米棒實際工作方式是，它們施加連續的力來克服阻力，而無需滑行。在鉑端，每個 H2O2 分子被分解成一個氧分子、兩個電子和兩個質子。在金端，電子和質子與 H2O2 分子結合，產生兩個水分子。這些反應在一個棒端產生過量的質子，而在另一個棒端產生缺乏質子的情況；因此，質子必須沿著棒的表面從鉑移動到金。
像水中所有正離子一樣，質子會吸引水分子的帶負電區域，因此在質子移動時會拖動水分子，從而按照牛頓運動定律（每個作用力都有相等且相反的反作用力）的規定，將棒材向相反方向推進[購買數字版以檢視相關側邊欄]。
一旦確定了這一原理（在我們學生和我們在賓夕法尼亞州立大學的合作者文森特·H·克雷斯皮、達雷爾·維萊戈爾和傑弗裡·卡奇馬克 的幫助下），隨後出現了其他幾種催化奈米馬達設計。德克薩斯大學奧斯汀分校的亞當·海勒研究小組和亞利桑那州立大學的約瑟夫·王研究小組表明，不同燃料的混合物——葡萄糖和氧氣或 H2O2 和肼——可以使馬達比使用單一燃料時執行得更快。
雖然自由懸浮的金屬奈米棒相對於本體溶液移動，但在 H2O2 存在下，固定化的金屬結構將在結構和流體之間的介面處誘導流體流動，從而有可能為浸沒在流體中的其他物體的運動提供動力。我們已經在用銀圖案化的金表面上證明了這種流體泵送效應。
[中斷] 指導委員會
我們的第一批浸沒在流體中的奈米棒的一個侷限性是，它們沿隨機方向移動，並且由於布朗運動而不斷進行隨機轉彎。當然，在實際應用中，奈米機器將需要某種機制來引導它們到達目的地。
我們解決轉向問題的第一次嘗試依賴於磁場[購買數字版以檢視相關側邊欄]。我們在棒材中嵌入了鎳盤。這些盤對磁場的反應就像微型指南針，其北極到南極軸線垂直於圓柱體的長度。放置在幾毫米外的冰箱磁鐵對圓柱體施加足夠的扭矩，以克服布朗運動隨機轉動圓柱體的趨勢。唯一剩下的力是沿棒材長度方向的力，由催化反應提供。然後，我們的奈米棒沿直線移動，並且可以透過轉動磁鐵來控制方向。這種運動類似於細菌的行為，細菌會使自身與地球微弱的磁場對齊。類似的馬達可以在微米級磁迷宮中導航，沿著磁場線穿過曲折。
去年，克雷斯皮和我們中的一人（森）表明，磁力控制的馬達能夠透過流體拉動“貨物”容器——大約是其尺寸 10 倍的塑膠球。對於這種載貨馬達，可以設想許多有趣的應用。例如，它們可以將藥物輸送到體內的特定細胞，或者沿著奈米級裝配線輸送分子，在裝配線上，貨物可以與其他分子化學結合。
外部控制奈米機器人可能在某些應用中很有用；對於其他應用，奈米機器人能夠自主移動至關重要。維萊戈爾和森最近興奮地發現，我們的催化奈米棒可以像細菌一樣沿著化學“麵包屑軌跡”前進。通常，細菌透過一系列直線執行來移動，直線執行被隨機轉彎打斷。但是，當直線執行恰好向上游化學梯度（例如，食物的氣味在更靠近食物本身的地方變得更濃）時，細菌會延長直線執行的長度。由於有利的執行比不利方向的執行持續時間更長，因此淨效應是細菌最終會收斂到其目標，即使它沒有直接控制自身方向的方法——這種策略稱為趨化性。
我們的奈米馬達在較高燃料濃度下移動得更快，這種趨勢有效地延長了它們的直線執行時間。因此，它們平均朝著燃料源移動，例如浸泡過氧化氫的凝膠顆粒[購買數字版以檢視相關側邊欄]。
最近，我們兩人還展示了由光碟機動的馬達顆粒，或趨光性。這些粒子利用光來分解分子併產生正離子和負離子。兩種型別的離子以不同的速度擴散開來，從而建立電場，導致粒子移動。根據釋放的離子的性質和粒子上的電荷，粒子被驅動朝向或遠離最高光強度區域。這項技術的一個有趣的轉折是光碟機動系統，其中一些粒子充當“捕食者”，另一些粒子充當“獵物”。在這種情況下，一種粒子釋放出的離子會導致第二種粒子被驅動朝向它。這些粒子的相關運動與白細胞追逐細菌驚人地相似。
趨化性和趨光性仍處於原理驗證階段，但它們可能會導致“智慧”自主奈米機器人的設計，這種機器人可以獨立地朝著其目標移動，也許可以透過從生物體內或環境中豐富的葡萄糖或其他燃料中獲取能量。我們的工作也可以成為設計新型機器人的起點，這些機器人可以相互化學通訊並執行集體功能，例如成群移動和形成圖案。
縮小尺寸
雖然表現出這些集體行為的粒子是“無生命的”，但它們的運動受到與活細胞運動相似的物理現象的支配。因此，奈米馬達不僅從生物學中汲取靈感，而且還提供了對生命系統運動部件如何工作的深刻見解。我們在研究催化奈米馬達時瞭解到的一條簡單規則是，奈米馬達的典型巡航速度應與其線性尺寸（例如長度或寬度等尺寸）成正比。這種縮放定律源於以下事實：阻力與尺寸成正比，而催化反應速率與表面積成正比，表面積與尺寸的平方成正比。
賓夕法尼亞州立大學生物學家詹姆斯·H·馬登發現了一個更普遍的縮放定律，將馬達的質量與其可以施加的最大力相關聯。他的定律（適用於分子馬達一直到噴氣發動機）的結果是，較小的馬達總是較慢。就催化奈米馬達的最終縮放而言，當布朗運動淹沒催化反應的任何推進力時，就會出現一個點（大約 50 到 100 奈米）。因此，微米大小的細菌是整個生物學中最小的自由游泳者。在較小的尺度上，布朗運動幾乎不可能在浸沒在流體中時保持穩定的運動方向。事實上，自然界中所有分子尺度的馬達——包括肌肉蛋白和產生 ATP 的酶——要麼被限制在軌道上執行，要麼嵌入膜中。未來的任何分子尺度機器人也必須如此。
[中斷] 逐步升級
對於分子尺度馬達，正如我們的奈米棒中證明的那樣，簡單的表面催化也可能效率太低而無法對抗布朗運動，無論機器人的運動是否受到限制。然而，大自然已經找到了利用布朗運動而不是與之對抗的方法。許多生物馬達都基於布朗棘輪的原理，該原理利用化學催化的能量不是在特定方向上產生運動，而是僅當布朗運動的衝擊在有利方向上推動時才允許它們，而在它們在相反方向上推動時阻止它們[參見迪恩·阿斯圖米安的“將分子變成馬達”；《大眾科學》，2001 年 7 月]。近年來，研究人員已經開始嘗試第一批人造布朗棘輪[購買數字版以檢視相關側邊欄]。
北卡羅來納州立大學的奧林·韋列夫和他的合作者已經證明了另一種推進和轉向方法。這些研究人員最近展示瞭如何在沒有任何燃料的情況下推進流體中的物體。他們的容器包含一個二極體，這是一種允許電流沿一個方向穿過它，但不允許沿相反方向穿過的裝置。研究人員施加交變電場。在容器附近，二極體將交變場轉換為靜態場。靜態場指向恆定方向，產生提供推力的淨力。
由於二極體馬達是外部供電的，因此它們的縮放定律與催化馬達不同。韋列夫已經證明，在釐米到毫米尺度上，二極體馬達的速度不隨其尺寸而變化，這與理論一致。該結果表明，這種馬達在數十微米尺度上可能非常強大，這大約相當於人類細胞的大小。
由於計算機晶片技術的進步，現在可以製造遠小於微米尺度的二極體，而長度僅為 2 到 3 奈米的分子二極體早已透過化學方法合成出來。因此，有可能製造出微型手術刀，它由推進、轉向和感測元件組成，這些元件以圖案形式排列在微小的矽晶片上。人們可以想象使用無線電頻率電場無線和遠端驅動二極體驅動的手術刀，無線電頻率電場不會被人體吸收。最終，這些微型手術刀可能會用非常細的針頭輸送，並透過遙控引導到目的地。
早在 1959 年，物理學家理查德·費曼在題為“底部有的是空間”的前瞻性演講中考慮了機器和資訊儲存系統的尺度極限時，科學家（和科幻小說作家）就一直在思考奈米機器。他指出，物理定律在分子長度尺度上仍然有效。因此，除了製造它們的顯而易見的挑戰之外，沒有理由禁止人們用原子級精確的分子部件製造車輛，甚至製造工廠來大規模生產奈米機器。
在過去的幾十年裡，費曼的演講繼續激發了納米技術的研究。與此同時，對活細胞的主流觀點已經從酶進行代謝反應的濃湯鍋轉變為機械連線的奈米馬達的滴答作響的瑞士手錶。因此，在許多方面，細胞都是費曼設想的分子工廠。
研究人員已經瞭解了很多關於如何製造受生物學啟發的非生物馬達的知識，但在這種長度尺度上，關於催化運動的原理還有很多東西需要學習。毫無疑問，未來的工作將找到迄今為止無法想象的方法，在生物醫學、能量轉換、化學合成和其他領域利用這些知識。
這個故事最初以“為奈米機器人提供動力”為標題印刷