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光驅動分子馬達能讓高分子凝膠收縮

公告類型: 奈米新知
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法國科學家最近利用分子馬達(molecular motors),製作出一中光驅動收縮的高分子凝膠(polymer gel)。這種新元件除了能模仿蛋白質折疊造成肌肉收縮,還能將部份吸收的光能儲存為機械能,因此具有應用在人造肌肉、奈微米機器人及先進奈米馬達中的潛力。

拜造物者的巧思與設計,自然界中的蛋白質(proteins)可經由複雜的堆疊與自組裝,構成各式複雜的微小「機器」,這些分子級機器在生物體內進行繁複且細微的工作來維持生物所需的功能,例如離子傳遞、三磷酸腺苷(ATP)的合成及細胞分裂等過程;換言之,小小的蛋白質分子操控了巨大生物體的各種生命現象。事實上,我們日常的肌肉運動即由數十億的分子馬達(即蛋白質)所控制,藉由蛋白質間彼此協調及分工,從分子層級的控制達到宏觀距離的運動,例如收縮大腿肌肉而跨步向前。

雖然過去十年來,隨著奈米科學的迅速發展,微機電製程也有大幅度的躍進,各種精細的奈米元件紛紛問世,然而,要取代上帝之手製造能像自然界般運行的分子機器依舊是搖不可及的目標。最近,人類可能已經朝這個目標邁近一步了。由斯特拉斯堡大學的Nicolas Giuseppone領導的研究團隊從分子設計的角度出發,開發出一種可由紫外光驅動產生收縮行為的高分子凝膠(polymer gel),來模仿生物體的運作。

這種由聚乙二醇(PEG)所組成的高分子凝膠具有分子層級的網狀結構,但取代網絡接合點(reticulating  points) 的是分子馬達,也就是一組成分不同但相對只朝單一方向旋轉的特殊分子。一旦受到紫外光激發而活化,該分子馬達會將高分子網狀結構捲起,使材料體積可減少80%之多!研究人員嘗試同時驅動大量(多達百萬個)分子馬達,結果發現物體整體縮小了數十公分之多,這情況類似微小蛋白質分子的運作卻能使數公分的人體肌肉產生收縮。

此特殊材料除了可以吸收並儲存光能外,還可以將部分儲存的光能轉換成機械能,因此可廣泛應用於先進的微機電製程,例如人造肌肉與微機電機器人等微奈米機械裝置。該研究目前仍有些困難待解決,例如光照時間如果過長,元件吸收的能量過高將使高分子鏈發生熱膨脹,導致凝膠脹破。Giuseppone表示,他們將嘗試尋找其他更好的方式來利用並控制這種能量。詳見近期Nature Nanotechnology | doi:10.1038/nnano.2014.315


原始網站:https://nano.nchc.org.tw/index.php?apps=news&mod=welcome&action=show&gid=1011
譯者/譯者服務單位:薛涵宇/美國麻州大學阿默斯特分校-高分子科學與工程學院   責任編輯:蔡雅芝
發布日期: 2015/02/09
發布人員: 王芊樺