Các nhà nghiên cứu từ TU Delft đã chế tạo các động cơ chạy bằng dòng chảy nhỏ nhất trên thế giới. Lấy cảm hứng từ những chiếc cối xay gió mang tính biểu tượng của Hà Lan và các protein động cơ sinh học, họ đã tạo ra một rôto điều khiển theo dòng chảy tự cấu hình từ DNA để chuyển đổi năng lượng từ gradient điện hoặc muối thành công cơ học hữu ích.
>> Tham khảo: Máy dò hồng ngoại thu nhỏ.
Các kết quả mở ra những triển vọng mới cho kỹ thuật chế tạo robot tích cực ở cấp độ nano. Bài báo hiện đã được xuất bản trong Vật lý tự nhiên.
Khó nắm bắt
Động cơ quay đã trở thành nguồn năng lượng của xã hội loài người trong nhiều thiên niên kỷ: từ cối xay gió và guồng nước trên khắp Hà Lan và thế giới đến tua-bin gió ngoài khơi tiên tiến nhất hiện nay thúc đẩy tương lai năng lượng xanh của chúng ta.
“Những động cơ quay này, được điều khiển bởi một dòng chảy, cũng có đặc điểm nổi bật trong các tế bào sinh học. Một ví dụ là chất tổng hợp FoF1-ATP, tạo ra nhiên liệu mà các tế bào cần để hoạt động.
Nhưng cấu trúc tổng hợp ở cấp độ nano cho đến nay vẫn còn khó nắm bắt,” Tiến sĩ Xin Shi, postdoc trong phòng thí nghiệm của prof. Cees Dekker thuộc khoa Khoa học Sinh học tại TU Delft.
>> Tham khảo: Tinh thể kim loại ‘Kagome’ bổ sung vòng quay mới cho thiết bị điện tử.
“Động cơ điều khiển dòng chảy của chúng tôi được làm từ vật liệu DNA. Cấu trúc này được gắn vào một lỗ nano, một lỗ nhỏ, trong một màng mỏng.
Gói DNA có độ dày chỉ 7 nanomet tự tổ chức dưới một điện trường thành một cấu hình giống như cánh quạt , mà sau đó được thiết lập thành một chuyển động quay liên tục với hơn 10 vòng quay mỗi giây,” Shi, tác giả đầu tiên của ấn phẩm trên tạp chí Vật lý Tự nhiên cho biết.
DNA origami
“Trong 7 năm qua, chúng tôi đã cố gắng chế tạo các động cơ nano quay như vậy một cách tổng hợp từ dưới lên. Chúng tôi sử dụng một kỹ thuật gọi là DNA origami, phối hợp với phòng thí nghiệm của Hendrik Dietz từ Đại học Kỹ thuật Munich,” Cees Dekker, người giám sát nghiên cứu cho biết thêm nghiên cứu.
Kỹ thuật này sử dụng các tương tác cụ thể giữa các cặp bazơ DNA bổ sung để xây dựng các vật thể nano 2D và 3D. Các rôto khai thác năng lượng từ dòng nước và ion được thiết lập thông qua điện áp đặt vào hoặc thậm chí đơn giản hơn: bằng cách có nồng độ muối khác nhau ở hai bên màng.
Loại thứ hai là một trong những nguồn năng lượng phong phú nhất trong sinh học cung cấp năng lượng cho các quá trình quan trọng khác nhau, như tổng hợp nhiên liệu tế bào và đẩy tế bào.
Giải một câu đố
Thành tựu này là một cột mốc quan trọng, vì đây là lần đầu tiên thực hiện thử nghiệm rôto hoạt động điều khiển bằng dòng chảy ở cấp độ nano.
Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu lần đầu tiên quan sát các chuyển động quay, họ đã bối rối: làm thế nào mà các thanh DNA đơn giản như vậy có thể biểu hiện các chuyển động quay đẹp và bền vững này?
>> Tham khảo: Nồng độ CO2 tăng cao gây ra tình trạng thiếu khoáng chất ở thực vật.
Câu đố đã được giải quyết trong các cuộc thảo luận với nhà lý thuyết Ramin Golestanian và nhóm của ông tại Viện Động lực học và Tự tổ chức Max Planck ở Göttingen.
Họ đã lập mô hình hệ thống và tiết lộ quá trình tự tổ chức hấp dẫn trong đó các bó biến dạng một cách tự nhiên thành các rôto đối xứng, sau đó kết hợp với dòng chảy từ các lỗ nano.
Từ đơn giản đến thiết kế hợp lý
“Quá trình tự tổ chức này thực sự cho thấy vẻ đẹp của sự đơn giản,” Shi nói. Nhưng tầm quan trọng của công việc này không chỉ dừng lại ở chính cánh quạt đơn giản này.
Kỹ thuật và cơ chế vật lý đằng sau nó thiết lập một hướng hoàn toàn mới trong việc chế tạo các động cơ nano tổng hợp: tuabin nano điều khiển bằng dòng chảy, một lĩnh vực đáng ngạc nhiên là chưa được các nhà khoa học và kỹ sư khám phá.
“Bạn sẽ ngạc nhiên về việc chúng ta biết và đạt được ít như thế nào khi xây dựng các tua bin nano điều khiển dòng chảy như vậy, đặc biệt là dựa trên kiến thức hàng thiên niên kỷ mà chúng ta có về việc xây dựng các đối tác quy mô lớn của chúng và vai trò quan trọng mà chúng thực hiện trong chính cuộc sống,” Shi nói.
Trong một bước tiếp theo (đang được in sẵn), nhóm đã sử dụng kiến thức mà họ học được từ việc chế tạo rô-to tự tổ chức này để tạo ra bước tiến quan trọng tiếp theo: tua-bin kích thước nano được thiết kế hợp lý đầu tiên.
“Giống như cách khoa học và công nghệ luôn hoạt động, chúng tôi bắt đầu từ một chiếc chong chóng đơn giản, giờ đây có thể tái tạo những chiếc cối xay gió xinh đẹp của Hà Lan, nhưng lần này với kích thước chỉ 25 nm, kích thước của một loại protein đơn lẻ trong cơ thể bạn,” Shi nói. , “và chúng tôi đã chứng minh khả năng mang tải của chúng.”
Dekker cho biết thêm: “Và bây giờ, hướng quay được thiết lập bởi tính chirality đã thiết kế. “Tua bin thuận tay trái quay theo chiều kim đồng hồ; tuabin thuận tay phải quay ngược chiều kim đồng hồ.”
>> Tham khảo: Vi khuẩn biến đổi gen hứa hẹn cho ngành nhiên liệu sinh học bền vững.
Máy hơi nước
Bên cạnh việc hiểu rõ hơn và bắt chước các protein động cơ như foF1-ATP synthase, kết quả mở ra những triển vọng mới cho kỹ thuật chế tạo robot hoạt động ở cấp độ nano. Shi: “Những gì chúng tôi đã chứng minh ở đây là một động cơ kích thước nano thực sự có khả năng truyền năng lượng và hoạt động.
Bạn có thể rút ra một phép loại suy với phát minh đầu tiên về động cơ hơi nước vào thế kỷ 18. Ai có thể dự đoán được nó đã thay đổi về cơ bản như thế nào xã hội của chúng ta? Hiện tại chúng ta có thể đang ở trong một giai đoạn tương tự với những động cơ nano phân tử này. Tiềm năng là không giới hạn, nhưng vẫn còn rất nhiều việc phải làm.”
