Một nhóm nghiên cứu do Đại học Kỹ thuật Munich (TUM) dẫn đầu đã lần đầu tiên thành công trong việc sản xuất một động cơ điện phân tử bằng phương pháp origami DNA.
Cỗ máy tí hon làm bằng vật liệu di truyền tự lắp ráp và chuyển đổi năng lượng điện thành động năng. Các động cơ nano mới có thể được bật và tắt, đồng thời các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát tốc độ quay và hướng quay.
>> Tham khảo: Các mô hình toán học xử lý số có thể khiến các nhà hoạch định chính sách đau đầu.
Có thể là trong ô tô, máy khoan hoặc máy xay cà phê tự động — động cơ giúp chúng ta thực hiện công việc trong cuộc sống hàng ngày để hoàn thành nhiều nhiệm vụ khác nhau.
Ở quy mô nhỏ hơn nhiều, các động cơ phân tử tự nhiên thực hiện các nhiệm vụ quan trọng trong cơ thể chúng ta. Ví dụ, một loại protein vận động được gọi là ATP synthase tạo ra phân tử adenosine triphosphate (ATP), mà cơ thể chúng ta sử dụng để dự trữ và truyền năng lượng trong thời gian ngắn.
Mặc dù các động cơ phân tử tự nhiên là cần thiết, nhưng khá khó để tái tạo các động cơ ở quy mô này với các đặc tính cơ học gần giống với các động cơ phân tử tự nhiên như ATP synthase.
Một nhóm nghiên cứu hiện đã chế tạo được một động cơ quay phân tử kích thước nano đang hoạt động bằng phương pháp origami DNA.
>> Tham khảo: Sự hợp tác toàn cầu đã tiết kiệm cho các quốc gia 67 tỷ đô la chi phí sản xuất tấm pin mặt trời.
Nhóm nghiên cứu do Hendrik Dietz, Giáo sư Công nghệ Nano Phân tử Sinh học tại TUM, Friedrich Simmel, Giáo sư Vật lý Hệ thống Sinh học Tổng hợp tại TUM, và Ramin Golestanian, giám đốc Viện Động lực học và Tự tổ chức Max Planck, dẫn đầu.
1. Động cơ nano tự lắp ráp
Động cơ phân tử mới bao gồm DNA – vật liệu di truyền. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp origami DNA để lắp ráp động cơ từ các phân tử DNA.
Phương pháp này được phát minh bởi Paul Rothemund vào năm 2006 và sau đó được phát triển thêm bởi nhóm nghiên cứu tại TUM.
Một số chuỗi DNA đơn dài đóng vai trò là cơ sở để các chuỗi DNA bổ sung tự gắn vào làm đối tác. Các trình tự DNA được chọn sao cho các sợi và nếp gấp được gắn vào sẽ tạo ra các cấu trúc mong muốn.
“Chúng tôi đã phát triển phương pháp chế tạo này trong nhiều năm và hiện có thể phát triển các vật thể rất chính xác và phức tạp, chẳng hạn như công tắc phân tử hoặc vật thể rỗng có thể bẫy vi-rút. Nếu bạn đặt các chuỗi DNA có trình tự phù hợp vào dung dịch, các vật thể tự lắp ráp,” Dietz nói.
Động cơ nano mới làm bằng vật liệu DNA bao gồm ba thành phần: đế, bệ và cánh tay quay. Đế cao khoảng 40 nanomet và được cố định vào một tấm kính trong dung dịch thông qua các liên kết hóa học trên tấm kính.
>> Tham khảo: Dự án laser của NASA mang lại lợi ích cho các nhà nghiên cứu động vật.
Một cánh tay rô-to có chiều dài lên tới 500 nanomet được gắn trên đế để nó có thể quay. Một thành phần khác rất quan trọng để động cơ hoạt động như dự định: một bệ đỡ nằm giữa đế và cánh tay rôto.
Nền tảng này chứa các chướng ngại vật ảnh hưởng đến chuyển động của cánh tay rôto. Để vượt qua các chướng ngại vật và quay, cánh tay rôto phải uốn cong lên một chút, tương tự như bánh cóc.
2. Chuyển động mục tiêu thông qua điện áp xoay chiều
Nếu không có nguồn cung cấp năng lượng, cánh tay rôto của động cơ di chuyển ngẫu nhiên theo hướng này hay hướng khác, được điều khiển bởi sự va chạm ngẫu nhiên với các phân tử từ dung môi xung quanh.
Tuy nhiên, ngay sau khi điện áp xoay chiều được đặt qua hai điện cực, các cánh tay rôto sẽ quay một cách có mục tiêu và liên tục theo một hướng.
Ramin Golestanian, người đứng đầu phân tích lý thuyết giải thích: “Động cơ mới có khả năng cơ học chưa từng có: Nó có thể đạt được mômen xoắn trong phạm vi 10 piconewton lần nanomet.
Và nó có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn mỗi giây so với năng lượng được giải phóng khi hai phân tử ATP bị tách ra”. của cơ chế của động cơ.
Chuyển động có mục tiêu của động cơ là kết quả của sự chồng chất của các lực điện dao động với các lực tác dụng lên cánh tay rôto do các chướng ngại vật của bánh cóc.
Cơ chế cơ bản nhận ra cái gọi là “bánh cóc Brownian nhấp nháy”. Các nhà nghiên cứu có thể điều khiển tốc độ và hướng quay thông qua hướng của điện trường cũng như thông qua tần số và biên độ của điện áp xoay chiều.
>> Tham khảo: Vi khuẩn lai: Chuyển gen giữa các chủng vi khuẩn khác nhau đã được khám phá.
“Động cơ mới cũng có thể có các ứng dụng kỹ thuật trong tương lai. Nếu chúng tôi phát triển động cơ hơn nữa, chúng tôi có thể sử dụng nó trong tương lai để điều khiển các phản ứng hóa học do người dùng xác định, lấy cảm hứng từ cách ATP synthase tạo ra ATP được điều khiển bằng chuyển động quay.
Sau đó, ví dụ “, bề mặt có thể được phủ dày bằng các động cơ như vậy. Sau đó, bạn sẽ thêm nguyên liệu ban đầu, đặt một ít điện áp xoay chiều và động cơ tạo ra hợp chất hóa học mong muốn,” Dietz nói.
