【伺服電動(dòng)缸應(yīng)用】yijiang.|伺服電動(dòng)缸電機(jī)在納米孔上的單向旋轉(zhuǎn)范疇的認(rèn)證

應(yīng)用高壓蒸氣、水流乃至風(fēng)力推進(jìn)伺服電動(dòng)缸電機(jī)旋轉(zhuǎn)取得能量，無疑是人類開展進(jìn)程中至關(guān)重要的一步，大幅度推進(jìn)了人類社會(huì)的進(jìn)步。相較于人類設(shè)計(jì)制造的大型機(jī)械不同，自然界早曾經(jīng)進(jìn)化出了微納級別的相似于伺服電動(dòng)缸旋轉(zhuǎn)電機(jī)構(gòu)造的構(gòu)造，如馬達(dá)等，在生命體的活動(dòng)中發(fā)揮了重要作用。因而，如何開發(fā)、應(yīng)用微納尺度的伺服電動(dòng)缸旋轉(zhuǎn)電機(jī)等納米構(gòu)造，是構(gòu)建更為復(fù)雜和更為高效的人工機(jī)械中的重要一環(huán)。

但是，與宏觀尺度的伺服電動(dòng)缸機(jī)器相比，納米構(gòu)造會(huì)遭到諸如布朗運(yùn)動(dòng)等要素影響，這些要素會(huì)招致納米構(gòu)造無法持續(xù)的停止定向運(yùn)動(dòng)，迄今為止科學(xué)家們只能經(jīng)過人為更改外部實(shí)驗(yàn)條件來將這些納米構(gòu)造推入新的均衡狀態(tài)停止?fàn)顟B(tài)調(diào)控，如外加電場或鏈置換等，因而，如何構(gòu)建一個(gè)能夠經(jīng)過耗費(fèi)自在能自發(fā)定向運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)納米伺服電動(dòng)缸機(jī)器，依然非常具有應(yīng)戰(zhàn)性。

2022年8月4日，來自荷蘭代爾夫特理工大學(xué)教授、德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的教授和英國牛津大學(xué)共同報(bào)道了一種自組裝的伺服電動(dòng)缸構(gòu)造，能夠應(yīng)用水和離子流的能量停止持續(xù)的定向伺服電動(dòng)缸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

該納米伺服電動(dòng)缸旋轉(zhuǎn)機(jī)器由D鏈組成，其中主鏈?zhǔn)橇?50 nm的電機(jī)螺旋構(gòu)造（6hb），中心點(diǎn)向外突出一條50 nm的電機(jī)雙鏈（1a，b），作者經(jīng)過在主鏈的一端或者兩端修飾熒光分子來檢測鏈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨后，這些電機(jī)構(gòu)造被放置在20×20個(gè)直徑約50nm的固態(tài)納米孔陣列上（1c，d）。能夠經(jīng)過在相同的緩沖液體系下施加電壓或者在填充不同的緩沖液體系使得該電機(jī)構(gòu)造靠近納米孔（1e），6hb平行于外表的電機(jī)構(gòu)造被捕獲無法穿過孔道，能夠用于后續(xù)研討，電機(jī)構(gòu)造垂直于孔道的會(huì)在驅(qū)動(dòng)力的作用下穿過孔道，這局部作者不停止深化討論。

在電壓驅(qū)動(dòng)的體系下，電機(jī)轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)持續(xù)的伺服電動(dòng)缸單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（2a）2b是納米孔上橫亙了一個(gè)電機(jī)構(gòu)造的單個(gè)熒光點(diǎn)的連續(xù)成像，圖像顯現(xiàn)熒光斑點(diǎn)盤繞孔隙做定向旋轉(zhuǎn)（中心為紅十字）。圖2c是該電機(jī)轉(zhuǎn)子末端位置的熱圖，分明地顯現(xiàn)了電機(jī)末端旋轉(zhuǎn)的圓形軌跡。20幀連續(xù)的圖像顯現(xiàn)了該電機(jī)轉(zhuǎn)子的單向順時(shí)針運(yùn)動(dòng)。末端的累積角位移θ（t）標(biāo)明，在記載期間（40 s），該轉(zhuǎn)子堅(jiān)持了數(shù)百次旋轉(zhuǎn)（2d）。圖2e展現(xiàn)了來自單次實(shí)驗(yàn)的40個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的累積角位移θ（t），其中線性曲線表示電機(jī)構(gòu)造在納米孔上的定向運(yùn)動(dòng)。這些轉(zhuǎn)子的線性均方位移（MSD）進(jìn)一步闡明定有向運(yùn)動(dòng)（圖2f），這與僅由布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的MSD曲線構(gòu)成鮮明比照。同時(shí)，大局部旋轉(zhuǎn)的速度和方向通常堅(jiān)持得很好，但是依然有一些旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與定向旋轉(zhuǎn)不同，占一切有效數(shù)據(jù)中的1%（2g-i）。作者還發(fā)現(xiàn)當(dāng)跨膜電壓從50 mV切換到100 mV會(huì)招致旋轉(zhuǎn)的速度忽然增加（2j），而且許多靜止轉(zhuǎn)子會(huì)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

為了進(jìn)一步提醒了電機(jī)納米構(gòu)造伺服電動(dòng)缸旋轉(zhuǎn)的緣由，作者用不同的顏色標(biāo)志了6hb的兩端（3a，b），3b–d展現(xiàn)了電機(jī)納米構(gòu)造兩端的典型熱圖，這些數(shù)據(jù)標(biāo)明，納米棒兩端的間隔在50到350 nm之間（圖3e），比6hb理論上的450nm長度短得多，闡明電機(jī)棒在旋轉(zhuǎn)過程中根本上都發(fā)作了機(jī)械變形。從這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中，作者以為納米孔上的這些電機(jī)納米棒自發(fā)構(gòu)成穩(wěn)定的彎曲構(gòu)象，毀壞了納米棒內(nèi)固有的構(gòu)造對稱性，以維持持續(xù)的旋轉(zhuǎn)。這種自發(fā)過程必需來自納米孔和帶電的納米棒之間的互相作用。作者同樣經(jīng)過模仿的辦法來考證了本人的猜測（3f-k），模仿的結(jié)果也證明了作者的上述猜測。

最后，作者發(fā)現(xiàn)簡單的濃度梯度也能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子做定向伺服電動(dòng)缸旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過在薄膜兩側(cè)引入不同濃度的溶液（cis:trans=50 ?mM:550? mM）（4a），電機(jī)納米棒在擴(kuò)散電泳力的作用下，展現(xiàn)出持續(xù)的單向旋轉(zhuǎn)（圖4b，c），證明該納米機(jī)器可以將這種靜態(tài)離子梯度中的伺服電動(dòng)缸自在能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

綜上所述，本文中作者展現(xiàn)了一種能夠停止持續(xù)定向伺服電動(dòng)缸旋轉(zhuǎn)的電機(jī)納米機(jī)器，這些納米機(jī)器經(jīng)過膜上的電化學(xué)不均衡在納米孔中產(chǎn)生的流體驅(qū)動(dòng)進(jìn)入持續(xù)的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以至能夠?qū)⒛蓚?cè)離子梯度中的自在能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為人造納米機(jī)器伺服電動(dòng)缸提供一種新的思緒。

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