科學家研製出世上最小的引擎

科學家研製出一種微型引擎，它是世界上最小的引擎。科學家們表示，這是第一種能驅動納米機器人——包括能在人體中行走的醫用機器人——的引擎。

這一原型設備稱為作動納米換能器(actuating nano-transducer)或「螞蟻」（actuating nano-transducer的首字母縮寫Ant），由微型金球和一種特殊的聚合物凝膠組合而成。它可產生一種微觀尺度上的推動力，其單位重量推力是任何已知馬達或肌肉的100倍。

「多年來，大家一直在談論製造納米機器人，但它們仍未問世。」劍橋大學(Cambridge)教授、該項目帶頭人傑里米•邦伯格(Jeremy Baumberg)說，「為什麼呢？這是因為直至今天，我們仍無法讓納米機器人在液體中移動——這就像是在納米尺度的糖漿中游泳，分子力太強了。」

他說，「螞蟻」引擎——最初發佈於《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)——將提供充足的動力。「就像真正的螞蟻一樣，它們能夠提供比自身重量大得多的力量。」他說，「我們目前面臨的挑戰是，如何控制這一力量為納米機械所用。」


「螞蟻」的動力源自物理反應而不是化學反應。它包含金納米顆粒，每個顆粒的直徑約為0.06微米（相當於人類頭髮寬度的千分之一），這些顆粒與一種名為聚N-異丙基丙烯醯胺(pNIPAM)的凝膠狀聚合物一起泡在水裡。

當溫度升到臨界溫度32攝氏度以上時，金顆粒通過分子間吸引力與聚合物一道被緊緊束縛在一起。當溫度降到32攝氏度以下時，聚合物突然吸收水分並膨脹——聚集的金顆粒被快速推散開來，就像彈簧一樣。

「這就像是爆炸，」該團隊的另一成員Tao Ding說，「當水分子讓金顆粒周圍的聚合物膨脹時，數百個金球在百萬分之一秒內飛散開來。」

實驗表明，這一反應是完全、快速可逆的。當溫度再度升高時，隨著聚合物包裹物把水分排出凝膠並圍繞金顆粒收縮起來，「螞蟻」可在瞬間儲存大量彈性能。「整個過程就像是納米彈簧，」邦伯格教授說。

「螞蟻」原型引擎用激光來控制系統的溫度，但也可採用其他機制。臨界點也可調整，比如把能量釋放點設定為接近37攝氏度——人體的正常溫度。

「螞蟻」或可通過一系列活塞衝程來驅動納米機器人，這很像汽車的引擎，只是其尺寸是後者的數十億分之一。

「這一概念可為大量的未來設計提供支撐，」邦伯格教授說。該團隊正與劍橋大學的商業化機構「劍橋實業」(Cambridge Enterprise)合作，開發這項技術的實際應用。