Forskare från TU Delft har konstruerat de minsta flödesdrivna motorerna i världen. Inspirerade av ikoniska holländska väderkvarnar och biologiska motorproteiner skapade de en självkonfigurerande, flödesdriven rotor från DNA som omvandlar energi från en elektrisk eller saltgradient till användbart mekaniskt arbete. Resultaten öppnar nya perspektiv för att konstruera aktiv robotik på nanoskala. Artikeln är nu publicerad i Nature Physics .

Glidande konstruktion

Roterande motorer har varit kraftpaketen i mänskliga samhällen i årtusenden, från väderkvarnar och vattenhjul till dagens mest avancerade havsbaserade vindkraftverk som driver framtiden för grön energi. "Dessa roterande motorer, som drivs av ett flöde, har också en framträdande plats i biologiska celler. Ett exempel är FoF1-ATP-syntas, som producerar det bränsle som cellerna behöver för att fungera. Men den syntetiska konstruktionen på nanoskala har hittills förblivit svårfångad." säger Dr. Xin Shi, postdoc i labbet hos prof. Cees Dekker på institutionen för bionanovetenskap vid TU Delft.

"Vår flödesdrivna motor är gjord av DNA-material. Denna struktur är dockad på en nanopore, en liten öppning, i ett tunt membran. DNA-knippet, bara 7 nanometer tjockt, organiserar sig själv under ett elektriskt fält till en rotorliknande konfiguration, som sedan sätts in i en ihållande roterande rörelse på mer än 10 varv per sekund", säger Shi, första författare till publikationen i Nature Physics .

DNA-origami

"I sju år har vi försökt bygga sådana roterande nanomotorer syntetiskt nerifrån och upp. Vi använder en teknik som kallas DNA-origami, i samarbete med Hendrik Dietzs labb från Münchens tekniska universitet", tillägger Cees Dekker, som ledde forskningen . Denna teknik använder de specifika interaktionerna mellan komplementära DNA-baspar för att bygga 2D och 3D nanoobjekt. Rotorerna utnyttjar energi från ett vatten- och jonflöde som etableras genom en pålagd spänning eller ännu enklare:genom att ha olika saltkoncentrationer på membranets två sidor. Den senare är en av de mest förekommande energikällorna inom biologin som driver olika kritiska processer, som cellulär bränslesyntes och cellframdrivning.

Lösa ett pussel

Denna prestation är en milstolpe, eftersom det är den första experimentella realiseringen någonsin av flödesdrivna aktiva rotorer på nanoskala. När forskarna först observerade rotationerna blev de dock förbryllade:hur kunde sådana enkla DNA-stavar uppvisa dessa fina, ihållande rotationer? Pusslet löstes i diskussioner med teoretikern Ramin Golestanian och hans team vid Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation i Göttingen. De modellerade systemet och avslöjade den fascinerande självorganiseringsprocessen där buntarna spontant deformeras till kirala rotorer som sedan kopplas till flödet från nanoporerna.

Från enkelhet till rationell design

"Denna självorganiseringsprocess visar verkligen skönheten i enkelheten", säger Shi. Men vikten av detta arbete stannar inte vid denna enkla rotor i sig. Tekniken och den fysiska mekanismen bakom den etablerar en helt ny riktning för att bygga syntetiska nanomotorer:flödesdrivna nanoturbiner, vilket är ett förvånansvärt outforskat område av forskare och ingenjörer. "Du skulle bli förvånad över hur lite vi visste och uppnådde när det gäller att bygga sådana flödesdrivna nanoturbiner, särskilt med tanke på den tusenåriga kunskap vi har om att bygga sina motsvarigheter i makroskala, och de kritiska roller de fyller i själva livet", säger Shi.

I ett ytterligare steg (som är i preprint) har gruppen använt den kunskap de lärt sig från att bygga denna självorganiserade rotor för att göra nästa viktiga framsteg:den första rationellt utformade nanoskalaturbinen. "Som hur vetenskap och teknik alltid fungerar, vi utgick från ett enkelt pinwheel, nu kan vi återskapa de vackra holländska väderkvarnarna, men den här gången med en storlek på bara 25 nm, storleken på ett enda protein i din kropp", säger Shi , "och vi visade deras förmåga att bära laster."

"Och nu sattes rotationsriktningen av den designade kiraliteten," tillägger Dekker. "Vänsterhänta turbiner roterade medurs, högerhänta roterade moturs."

Ångmaskin

Därefter, för att bättre förstå och efterlikna motorproteiner som FoF1-ATP-syntas, öppnar resultaten nya perspektiv för att konstruera aktiv robotik på nanoskala. Shi:"Vad vi har visat här är en nanoskalamotor som verkligen kan omvandla energi och utföra arbete. Du kan dra en analogi med den första uppfinningen av ångmaskinen på 1700-talet. Vem kunde då ha förutsägt hur den förändrades i grunden. våra samhällen? Vi kanske är i en liknande fas nu med dessa molekylära nanomotorer. Potentialen är obegränsad, men det finns fortfarande mycket arbete att göra." + Utforska vidare

Första elektriska nanomotor tillverkad av DNA-material