來源：科學
奈米直升機 在以 ATP（細胞的動力分子）為燃料時，會旋轉其微小的鎳螺旋槳。這種生物馬達由 ATPase (左上) 製成，它附著在鎳螺旋槳上，並安裝在鎳柱上 (左下)。放入 ATP 和其他化學物質的溶液中，螺旋槳以每秒八轉的速度旋轉。 |
"這是一個令人難以置信的小世界，它就在下方，" 理查德·費曼在他1959年關於奈米技術的著名演講《在底部有足夠的空間》中說道。“在2000年，當他們回顧這個時代時，他們會想知道為什麼直到1960年才有人開始認真地朝這個方向前進。” 事實上，現在可能更令人驚奇的是，奈米技術專家在40年裡取得了多大的進步。僅在過去一週，大量描述各個領域進展的論文相繼出現，這些論文出現在11月23日的《自然》雜誌和11月24日的《科學》雜誌中，《科學》雜誌包含一個關於奈米技術的特別版塊。
在一些人呼籲關注奈米技術的發展速度後，這些報告迅速出現。在《連線》雜誌四月刊中，太陽微系統公司的聯合創始人比爾·喬伊警告說，應該停止奈米技術的研究，以免它變成 K·埃裡克·德雷克斯勒在他1986年出版的《創造的引擎》一書中描述的“灰色黏液”。正如德雷克斯勒所設想的那樣，這種黏液將由無數的微型組裝機組成，它們會無限地自我複製，消滅它們路徑上的任何生物或非生物。六月份，來自前瞻研究所（德雷克斯勒是該研究所的主席）的奈米技術專家也紛紛效仿，釋出了自己的預防性指南以阻止黏液的出現。
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但是，其他科學家——他們中的許多人在《科學》特刊的新聞報道中發表了自己的觀點——駁斥了這些悲觀的預測。而且，如果奈米技術沒有吞噬人類，它似乎確實蘊藏著幫助人類的巨大潛力。《自然》雜誌的封面故事中，加州大學聖巴巴拉分校的加倫·斯塔基和他的同事描述了具有奈米級孔隙、籠子和通道的玻璃材料，這些材料可以用於“檢測生物毒素和從環境中去除有毒重金屬”等用途。在同一期雜誌中，弗吉尼亞理工大學的化學家哈里·多恩描述了一種新型的含金屬富勒烯，可以用作奈米級的構建模組。
在《科學》雜誌中，加州理工學院的物理學家斯蒂芬·奎克和阿克塞爾·舍雷爾回顧了軟材料（可能比用於處理生物樣本的堅硬矽更適合）是如何在奈米級裝置中發揮作用的。康奈爾大學的研究員哈羅德·克雷格黑德解釋了新型奈米機電系統 (NEMS)——微機電系統 (MEMS) 的較小表兄弟——是如何為“感測器、醫療診斷、顯示器和資料儲存等應用帶來革命”鋪平道路的。其他論文則闡述了正在進行的開發所謂的奈米護士（在體內穿梭以發現和修復細胞內問題）和晶片實驗室（旨在進行基因分析和其他診斷任務）的工作。這樣的例子不勝列舉。也許下面更詳細地描述了三個更令人興奮的結果：旋轉的生物分子奈米直升機、基於彎曲塑膠執行器的微型機器人以及跳舞的錫奈米馬達。--克里斯汀·魯特維勒
旋轉的馬達
康奈爾奈米生物技術中心的研究人員設計了一種利用細胞內提供能量的同一種分子三磷酸腺苷 (ATP) 來驅動病毒大小的馬達的方法。在《科學》雜誌中，卡洛·蒙特馬尼奧和他的同事解釋了他們是如何構建和測試第一個這樣的生物分子馬達的，將無機鎳螺旋槳與 ATPase 酶結合在一起 (見圖)。“透過這次演示，我們相信我們正在定義一項全新的技術，”蒙特馬尼奧說。“我們已經證明，可以使用生命生理學來組裝、維護和修復混合奈米裝置。”
該團隊在大學的納米制造裝置中，透過一系列步驟形成了鎳螺旋槳——每個螺旋槳長約750奈米，寬150奈米。首先，他們使用電子束光刻技術在塗有聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 的矽晶片上定義了結構。接下來，他們使用電子槍蒸發沉積鎳，並化學去除任何殘留的 PMMA 和鎳。他們透過各向同性蝕刻將螺旋槳從基板上彈出，並用一層薄薄的化學物質覆蓋它們，以幫助將它們附著到裝置的其餘部分。
來源：EDWIN JAGER 等人。
奈米機器人 具有肘部、腕部和手部（有兩到四根手指），可以從一個軌道抓住、抬起和移動一個 100 微米的玻璃珠到另一個軌道。由金和共軛聚合物雙層形成的關節在電化學氧化或還原使聚合物發生體積變化時會彎曲。 |
事實上，螺旋槳或多或少地與 ATPase 分子自組裝在一起，而 ATPase 分子是該小組從基因改造的細菌中產生的。然後，將電機-螺旋槳組合安裝在 200 奈米高、80 奈米寬的鎳柱上，並浸入 ATP 和其他化學物質的“燃料”溶液中。ATPase 會像在生物體中一樣，破壞 ATP 分子中的原子鍵。但在這種情況下，該反應會啟動 ATPase 內的轉子狀蛋白質，從而旋轉螺旋槳。當科學家使用電荷耦合器件 (CCD) 攝像機觀察混合電機時，他們發現螺旋槳的旋轉速度大約為每秒八轉，在某些情況下，這種速度持續了兩個半小時。
用於製造這些裝置的裝置和策略需要改進。蒙特馬尼奧指出，在最初組裝的 400 個單元中，只有 5 個能夠正常工作。在後來的批次中，一些電機失去了螺旋槳，另一些電機則失去了測試基座。此外，該團隊希望使這些裝置更適合在脆弱的有機分子和活細胞中使用。他們希望從成品中去除更多用於製造螺旋槳的刺激性化學物質，並新增計算和感測功能。他們還希望找到利用光能代替 ATP 為生物分子電機提供燃料的方法。儘管如此，這項工作標誌著一個重大進步。
彎曲的塑膠
來自瑞典林雪平大學和馬里蘭大學的科學家們開發了其他由共軛聚合物執行器製成的潛在有用的裝置，他們在《科學》雜誌的奈米技術特刊中對此進行了回顧。埃德溫·賈格、伊麗莎白·斯梅拉和奧勒·英根斯研究共軛聚合物的原因有幾個：首先，這些材料在水性介質中執行良好——大多數生物樣本都在液體中取樣和測試。其次，它們可以使用標準的光刻技術進行圖案化。而且它們很容易發生體積變化（在氧化和還原反應期間），可以利用這種變化使它們以各種角度彎曲：如果你將聚合物附著到金上，例如，只有聚合物會改變大小，從而使組合的雙層捲曲。
來源：EDWIN JAGER 等人
奈米手，也由金和共軛聚合物雙層製成，可以捲曲在一粒沙子周圍。 |
賈格和他的同事最近製造並測試了一個微型機器人手臂，該手臂由連線的微型執行器組成，這些執行器由金和聚吡咯（一種特別穩定的共軛聚合物）的雙層製成。這隻手臂僅長 670 微米，有肘部、腕部和手部，有兩到四根手指。透過電化學氧化和還原，他們能夠彎曲這些獨立的“關節”，從而使手臂可以抓住、抬起和移動一個 100 微米的玻璃珠 (見圖)。他們設想將這種手臂串聯使用，以便在晶片實驗室中轉移細胞。
在《科學》論文中描述的其他設計包括具有聚合物-金雙層蓋的自組裝盒子，這些蓋子可以根據需要開啟或關閉 (見圖)。這種微腔可能用於更精確地遞送藥物、進行納升和皮升化學測試或幫助科學家在作者稱為“細胞診所”的應用中研究細胞。同樣，微型執行器可以用於阻止液體流過，例如，晶片實驗室。賈格和他的同事還在與細胞生物學家一起開發一種名為“細胞敲擊器”的儀器。顧名思義，該裝置會敲擊單個細胞，從而可以研究細胞在不同情況下施加的力。
跳舞的錫
來自桑迪亞國家實驗室的研究人員的更初步但有希望的研究出現在同一期的《科學》雜誌上。安德烈亞斯·施密德、諾姆·巴特爾特和羅伯特·黃報告說，他們發現了錫在銅上跳舞的現象，這種現象類似於樟腦顆粒在水面上晃動的方式。他們希望透過找到控制和編排錫晶體運動的方法，他們可以迫使合金呈現有用的奈米形狀，並創造出超高效的奈米馬達。
來源：EDWIN JAGER 等人。
奈米盒子 當構成它的共軛聚合物將翼片彎曲在一起時，可以開啟和關閉。這種微腔可以用於更精確地遞送藥物，並在晶片實驗室中研究和分隔細胞。 |
施密德的團隊是透過使用掃描隧道顯微鏡 (STM) 獲取材料表面的地形圖和使用低能電子顯微鏡 (LEEM) 觀察錫在該表面上的運動來即時觀察錫和銅如何變成青銅的，從而發現了這一現象。他們注意到，當錫沉積到銅上時，它會在幾秒鐘內結成微小的二維晶體島。這些島嶼在銅表面上滑行，在移動時將錫原子換成銅原子。當這些島嶼變成青銅晶體時，它們會排出拾取的銅原子。片刻之後，青銅團塊覆蓋了表面，錫島溶解。
研究人員對跳舞的錫島提供瞭解釋：已經嵌入銅中的錫會排斥移動的錫島，驅使它們尋找另一個表面點。只有當它們找到這樣一個點時，它們才會進行錫換銅的原子交易。這些島嶼在尋找非競爭點的過程中非常有效，它們甚至會將自己擠到銅表面的角落，以避免任何倒退。施密德解釋說，這種“完全出乎意料的合作過程”之所以發生，是因為這些島嶼“透過向表面未合金區域移動來降低表面自由能”。
在隨附的一篇文章中，奧胡斯大學的弗萊明·貝森巴赫和丹麥技術大學的延斯·諾斯科夫指出，這一發現“可以被視為對奈米馬達的直接觀察”，因為錫島將化學能轉化為前進運動。這種自然產生的馬達無疑是高效的，而且它似乎也非常強大：汽車每公斤重量提供約 0.1 馬力，而錫島的功率重量比接近 0.3 馬力/公斤。最後，貝森巴赫和諾斯科夫指出，“挑戰在於設計出可以外部控制其運動的奈米馬達（以便它們可以隨意地移動物體）並且可以補充燃料。”