Forskare vid Cockrell School of Engineering vid University of Texas i Austin har byggt den minsta, den snabbaste och mest långvariga lilla syntetiska motorn hittills. Teamets nanomotor är ett viktigt steg mot att utveckla miniatyrmaskiner som en dag kan röra sig genom kroppen för att administrera insulin till diabetiker när det behövs, eller rikta in och behandla cancerceller utan att skada bra celler.
Med målet att driva dessa enheter som ännu inte har uppfunnits, UT Austins ingenjörer fokuserade på att bygga en pålitlig, ultrahöghastighets nanomotor som kan omvandla elektrisk energi till mekanisk rörelse i en skala som är 500 gånger mindre än en saltkorn.
Biträdande professor i maskinteknik Donglei "Emma" Fan ledde ett team av forskare i den framgångsrika designen, montering och testning av en högpresterande nanomotor i en icke-biologisk miljö. Teamets tredelade nanomotor kan snabbt blanda och pumpa biokemikalier och röra sig genom vätskor, vilket är viktigt för framtida ansökningar. Teamets studie publicerades i aprilnumret av Naturkommunikation .
Fan och hennes team är de första att uppnå det extremt svåra målet att designa en nanomotor med stor drivkraft.
Med alla dess dimensioner under 1 mikrometer i storlek, nanomotorn kan passa in i en mänsklig cell och kan rotera i 15 timmar i följd med en hastighet av 18, 000 rpm, hastigheten på en motor i en jetflygplansmotor. Jämförbara nanomotorer går betydligt långsammare, från 14 rpm till 500 rpm, och har bara roterat i några sekunder upp till några minuter.
Ser fram emot, nanomotorer kan främja området för nanoelektromekaniska system (NEMS), ett område fokuserat på att utveckla miniatyrmaskiner som är mer energieffektiva och billigare att producera. Inom en snar framtid, forskarna från Cockrell School tror att deras nanomotorer kan ge ett nytt tillvägagångssätt för kontrollerad biokemisk läkemedelsleverans till levande celler.
För att testa dess förmåga att frigöra droger, forskarna täckte nanomotorns yta med biokemikalier och satte igång spinning. De fann att ju snabbare nanomotorn roterade, desto snabbare släppte det ut drogerna.
"Vi kunde fastställa och kontrollera molekylens frisättningshastighet genom mekanisk rotation, vilket innebär att vår nanomotor är den första i sitt slag för att kontrollera frisättningen av läkemedel från ytan av nanopartiklar, "Fan sa. "Vi tror att det kommer att bidra till att främja studiet av läkemedelstillförsel och cell-till-cell-kommunikation."
Forskarna tar upp två stora frågor för nanomotorer hittills:montering och kontroller. Teamet byggde och drev nanomotorn med en patentsökt teknik som Fan uppfann när han studerade vid Johns Hopkins University. Tekniken bygger på AC och DC elektriska fält för att montera nanomotorns delar en efter en.
I experiment, forskarna använde tekniken för att slå på och av nanomotorerna och driva rotationen antingen medurs eller moturs. Forskarna fann att de kunde placera nanomotorerna i ett mönster och flytta dem på ett synkroniserat sätt, vilket gör dem mer kraftfulla och ger dem mer flexibilitet.
Fan och hennes team planerar att utveckla nya mekaniska kontroller och kemisk avkänning som kan integreras i nanoelektromekaniska enheter. Men först planerar de att testa sina nanomotorer nära en levande cell, vilket gör att Fan kan mäta hur de levererar molekyler på ett kontrollerat sätt.
