Новые электрические двигатели для нанороботов
Ученые из Технического университета Мюнхена (TUM) разработали новую технологию электрических двигателей для нанороботов.
Ученые из Технического университета Мюнхена (TUM) разработали новую технологию электрических двигателей для нанороботов. Это позволяет молекулярным машинам двигаться в сто тысяч раз быстрее, чем с биохимическими процессами, используемыми до настоящего времени. Это делает нанороботов достаточно быстрыми, чтобы выполнять сборочные работы на молекулярных фабриках. Новые результаты исследований появились в качестве обложки 19 января в знаменитом научном журнале Science.
Вверх и вниз, вперед и назад. Точки света меняют направления своего движения. Они производятся светящимися молекулами, прикрепленными к концам крошечных роботов. Профессор Фридрих Симмель наблюдает за движением наномашин на мониторе флуоресцентного микроскопа. Простой щелчок мыши — все, что требуется, чтобы точки света двигались в другом направлении.
«Применяя электрические поля, мы можем произвольно поворачивать руки в плоскости», — объясняет глава кафедры физики синтетических биологических систем в Мюнхене. Его команда впервые смогла контролировать нанороботы электрически и в то же время установила рекорд: новая техника в 100 000 раз быстрее, чем при использовании всех предыдущих методов.
ДНК-оригами-роботы для заводов завтрашнего дня
Ученые во всем мире работают над новыми технологиями для нанороботов будущего. Они надеются, что в один прекрасный день они будут использованы для анализа биохимических образцов или производства активных медицинских препаратов. Необходимые миниатюрные машины уже могут быть произведены экономически эффективно с использованием технологии ДНК-оригами.
Единственная причина, по которой эти молекулярные машины не были широко распространены на сегодняшний день, заключается в том, что они слишком медленны. Строительные блоки активируются ферментами, нитями ДНК или света, а затем выполняют конкретные задачи, например, для сбора и транспортировки молекул.
Однако традиционные нанороботы требуют минуты, чтобы выполнить эти действия, иногда даже часы. Поэтому эффективные линии молекулярной сборки не могут быть реализованы с использованием этих методов.
Электронное ускорение скорости
«Создание линии нанотехнологических сборок требует использования разных видов двигательных технологий. Мы придумали идею полностью отказаться от переключения биохимических наномашин в пользу взаимодействия между структурами ДНК и электрическими полями», — объясняет исследователь TUM Фридрих Симмель.
Принцип движительной технологии прост: молекулы ДНК имеют отрицательные заряды. Таким образом, биомолекулы могут быть перемещены путем применения электрических полей. Теоретически это должно позволить управлять нанороботами с помощью электрических импульсов.
Роботизированное движение под микроскопом
Чтобы определить, будут ли руки робота выстраиваться в линию с электрическим полем, исследователи приложили несколько миллионов нанороботов к стеклянной подложке и поместили их в держатель образца с электрическими контактами, разработанными специально для этой цели.
Каждая из миниатюрных машин, содержит руку длиной 400 нанометров с прикрепленной к жесткой 55 по 55 нанометровой базовой пластине с гибким соединением, изготовленное из неспаренных оснований. Эта конструкция гарантирует, что плечи могут вращаться произвольно в горизонтальной плоскости.
В сотрудничестве с специалистами по флуоресценции, возглавляемыми профессором Доном К. Лэмбом из Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене, исследователи отметили кончики рук робота с использованием молекул пигмента. Они наблюдали их движение с помощью флуоресцентного микроскопа. Затем они изменили направление электрического поля. Это позволило исследователям произвольно изменить ориентацию и контролировать процесс локомоции.
Видео трех «нанокранов»: во-первых, диффузионное движение без внешнего поля. Второе: переключение. Третье: вращение. Источник: Technical University Munich
«Эксперимент показал, что молекулярные машины могут перемещаться и, следовательно, также приводиться в движение электрически», — говорит Фридрих Симмель. «Благодаря электронному процессу управления мы можем инициировать движения в миллисекундном масштабе времени и, таким образом, в 100 000 раз быстрее, чем при использовании ранее используемых биохимических подходов».
На пути к нанофабрике
Новая технология управления подходит не только для перемещения пигментов и наночастиц. Руки миниатюрных роботов также могут прикладывать силу к молекулам. Эти взаимодействия могут быть использованы для диагностики и фармацевтического развития, подчеркивает Фридрих Симмель. «Наноботы маленькие и экономичные. Миллионы из них могут работать параллельно, чтобы искать конкретные вещества в образцах или синтезировать сложные молекулы, и это все мало чем отличающиеся от конвейера».