Броуновский мотор - Brownian motor

Эта статья о броуновских двигателях как о молекулярных машинах. О физических явлениях и теории см. Броуновское движение.
Часть серии статей о
Молекулярный
нанотехнологии
  • Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал
  • Telecom-icon.svg Технологический портал
Кинезин, пример молекулярный мотор который использует АТФ "гулять" нанотрубочки, теперь считается примером броуновского двигателя.

Броуновские моторы находятся наноразмер или же молекулярные машины это использование химические реакции для создания направленного движения в пространстве.[1] Теория, лежащая в основе броуновских двигателей, основана на феномене Броуновское движение, случайное движение частицы приостановлено в жидкость (а жидкость или газ ) в результате их столкновение с быстро движущимся молекулы в жидкости.[2]

На наноразмер (1-100 нм), вязкость доминирует инерция, и чрезвычайно высокая степень тепловой шум в окружающей среде делает обычное направленное движение почти невозможным, потому что силы движение этих двигателей в желаемом направлении незначительно по сравнению с случайные силы проявляется окружающей средой. Броуновские двигатели работают специально для использования этого высокого уровня случайный шум для достижения направленного движения, и как таковые жизнеспособны только на наноразмер.[3]

Концепция броуновских моторов появилась недавно и была придумана только в 1995 году. Питер Хенгги, но существование таких двигателей в природе могло существовать очень давно и помочь объяснить важнейшие клеточные процессы которые требуют движения на наноразмер, Такие как синтез белка и мышечное сокращение. Если это так, броуновские двигатели могут иметь значение для основ жизнь сам.[3]

В последнее время люди пытались применить эти знания о естественных броуновских двигателях для решения человеческих проблем. Применение броуновских двигателей наиболее очевидно в наноробототехника из-за неотъемлемой зависимости от направленного движения.[4][5]

История

20 век

Это моделирование броуновского движения большой частицы (частицы пыли), которая сталкивается с большим набором более мелких частиц (молекул газа), которые движутся с разными скоростями в разных случайных направлениях.
Место пасьянсов

Пусть на месте пасьянсов
Будьте местом бесконечных колебаний.

Будь то в середине моря
На темном зеленом водяном колесе,
Или на пляжах,
Не должно быть прекращения
Движения или шума движения,
Обновление шума
И многообразное продолжение;

И, по большей части, движение мысли
И его беспокойная итерация,

Вместо пасьянсов
Который должен стать местом бесконечных колебаний.

Уоллес Стивенс (1879-1955).

Термин «броуновский двигатель» был изобретен швейцарским физиком-теоретиком. Питер Хенгги в 1995 г.[3] Броуновский двигатель, как и феномен броуновского движения, лежащий в основе его теории, также был назван в честь шотландского ботаника XIX века. Роберт Браун, который, просматривая микроскоп в пыльца из растение Кларкия пульчелла погруженный в воду, он описал случайное движение частиц пыльцы в воде в 1827 году. В 1905 году, почти восемьдесят лет спустя, физик-теоретик Альберт Эйнштейн опубликовано бумага где он моделировал движение пыльцы как движение отдельных молекулы воды,[6] и это было экспериментально подтверждено Жан Перрен в 1908 г., награжденный Нобелевская премия по физике в 1926 г. «за работу о разрывной структуре вещества».[7] Эти разработки помогли создать основы современных теорий наноразмер Мир.

Нанонаука традиционно долгое время оставалась на стыке физических наук физика и химия, но последние достижения в исследованиях все больше выводят его за рамки любой из этих двух традиционных областей.[8]

21-го века

В 2002 году основополагающая статья о броуновских двигателях была опубликована в Американский институт физики журнал Физика сегодня, «Броуновские моторы», Дин Астумян, профессор физика на Университет штата Мэн в Ороно, и Питер Хенгги, профессор теоретическая физика на Аугсбургский университет, Германия. Там они предложили новую тогда концепцию броуновских двигателей и постулировали, что «тепловое движение в сочетании с подводимой энергией порождает случайный канал, который можно использовать для осуществления контроля над микроскопическими системами». Астумиан и Хангги приводят в своей статье копию Уоллес Стивенс Поэма 1919 года, Место одиночек чтобы элегантно проиллюстрировать с абстрактной точки зрения непрекращающуюся природу шума.

Вдохновленные удивительным механизмом, с помощью которого белки движутся в условиях теплового шума, многие физики работают над пониманием молекулярных моторов в мезоскопическом масштабе. Важный вывод из этой работы заключается в том, что в некоторых случаях тепловой шум может способствовать направленному движению, обеспечивая механизм преодоления энергетических барьеров. В таких случаях говорят о «броуновских двигателях». В этой статье мы сосредоточимся на нескольких примерах, которые раскрывают некоторые важные основные физические концепции, которые возникли. Но сначала отметим, что поэты тоже были очарованы шумом; см. вставку 1.

...

В микроскопическом мире «не должно быть прекращения движения или шума движения» (вставка 1). Вместо того, чтобы бороться с ним, броуновские двигатели используют непрерывный шум для эффективного и надежного перемещения частиц.

— Дин Астумиан и Питер Хенгги, "Броуновские моторы"

Важная демонстрация наноинженерия и нанотехнологии был созданием практического искусственного броуновского двигателя IBM в 2018 году.[9] В частности, энергетический ландшафт был создан путем точного формирования наножидкостный щели, и переменные потенциалы и колеблющееся электрическое поле затем использовались, чтобы «раскачать» наночастицы производить направленное движение. Эксперимент успешно сделал наночастицы двигаться по дорожке в форме контура логотипа IBM и служит важной вехой в практическом использовании броуновских двигателей и других элементов на наноразмер.

В Сиднейский центр нанонауки, специализированный объект стоимостью 150 миллионов австралийских долларов для наноразмерных исследований и образования.

Кроме того, различные учреждения по всему миру, такие как Сиднейский университет Нано-институт со штаб-квартирой в Сиднейский центр нанонауки (SNH), а Швейцарский институт нанонауки (SNI) в Базельский университет, являются примерами исследовательской деятельности, развивающейся в области нанонауки. Броуновские двигатели остаются центральной концепцией в понимании естественного молекулярные моторы и построение полезных наноразмерные машины которые предполагают направленное движение.[4][5]

Исследования в области нанонаук в Швейцарском институте нанонаук (SNI) сосредоточены на областях, которые могут принести пользу наукам о жизни, устойчивости, а также информационным и коммуникационным технологиям. Цель состоит в том, чтобы исследовать явления в наномасштабе, а также идентифицировать и применять новые новаторские принципы. Это вовлекает исследователей в мир отдельных атомов и молекул. На этом уровне классические дисциплины физики, биологии и химии сливаются в одну. Таким образом, междисциплинарное сотрудничество между различными отраслями науки и учреждениями является ключевым элементом повседневной работы SNI.

— Швейцарский институт нанонаук, Веб-сайт Базельского университета

Теория

Модель храповика служит теоретической основой броуновского двигателя.

В тепловой шум на наноразмер настолько велика, что двигаться в определенном направлении так же сложно, как «ходить в ураган »Или« плавание в патока ”.[8] Теоретическая работа броуновского двигателя может быть объяснена теорией храпового механизма, в которой сильные случайные тепловые колебания позволяют перемещать частицу в желаемом направлении, а энергия расходуется на противодействие силы это произвело бы движение в обратном направлении. Это движение может быть как линейным, так и вращательным. В биологическом смысле и в той степени, в которой это явление проявляется в природе, оно существует как химическая энергия происходит от молекулы аденозинтрифосфат (АТФ).

В Броуновская трещотка очевидный вечный двигатель что, кажется, нарушает Второй закон термодинамики, но позже был опровергнут после более подробного анализа Ричард Фейнман и другие физики. Разница между настоящими броуновскими моторами и вымышленными Броуновские трещотки только в броуновских моторах есть вход энергия чтобы предоставить необходимые сила удерживать двигатель на месте, чтобы противодействовать тепловой шум которые пытаются переместить двигатель в противоположном направлении.[10]

Поскольку броуновские двигатели полагаются на случайную природу тепловой шум для достижения направленного движения они стохастический в природе, в том, что они могут быть проанализированы статистически но не предсказано точно.[11]

Примеры в природе

В биология, многое из того, что мы понимаем под белок -основан молекулярные моторы на самом деле тоже могут быть броуновские моторы. Эти молекулярные моторы способствуют критическому клеточные процессы в живые организмы и действительно имеют фундаментальное значение для жизнь сам.

Исследователи добились значительных успехов в изучении этих органические процессы чтобы понять их внутреннюю работу. Например, молекулярные броуновские моторы в виде нескольких разных типов белок существуют внутри людей. Два общих биомолекулярный Броуновские моторы АТФ-синтаза, роторный двигатель, и миозин II, линейный двигатель.[11] Моторный белок АТФ-синтаза производит ротационные крутящий момент что способствует синтезу АТФ из Аденозиндифосфат (ADP) и неорганические фосфат (Пя) через следующую общую реакцию:

ADP + Pя + 3H+из ⇌ АТФ + H2O + 3H+в

Напротив, крутящий момент произведено миозин II линейна и лежит в основе процесса сокращение мышц.[11] Похожий моторные белки включают кинезин и динеин, которые преобразуют химическую энергию в механическую работу гидролиз из АТФ. Много моторные белки в человеческие клетки действуют как броуновские двигатели, производя направленное движение на наноразмер, и некоторые распространенные белки этого типа проиллюстрированы следующими компьютерные изображения.

  • Белки действуют как броуновские моторы внутри клеток человека

  • АТФ-синтаза

  • Миозин II

  • Кинезин

Приложения

Наноробототехника

Соответствие броуновских двигателей требованию направленного движения в наноробототехника становится все более очевидным для исследователей как из академических кругов, так и из промышленности.[4][5]

Искусственное воспроизведение броуновских моторов зависит от природы и отличается от нее, и одним из конкретных типов является фотомотор, в котором мотор переключается. состояния из-за импульсов свет и генерирует направленное движение. Эти фотомоторы, в отличие от своих натуральные аналоги находятся неорганический и обладать большим эффективность и средний скорость, и поэтому они лучше подходят для использования людьми, чем существующие альтернативы, такие как органический белковые моторы.[12]

В настоящее время одна из шести текущих «Грандиозных задач» Сиднейский университет Nano Institute разработает наноробототехнику для здоровье, ключевым аспектом которого является «наноразмер части Литейный завод "Которые могут производить наноразмер Броуновские моторы для «активный транспорт вокруг тела ». Институт предсказывает, что среди последствий этого исследования - «смена парадигмы» в здравоохранение "подальше от "исправить "модель, чтобы сосредоточиться на профилактика и раннее вмешательство ", например, в случае с сердечное заболевание:[13]

Изменения на молекулярном уровне при ранних сердечных заболеваниях происходят в наномасштабе. Чтобы обнаружить эти изменения, мы создаем наноразмерных роботов, меньших, чем клетки, которые будут перемещаться по телу. Это позволит нам заглянуть внутрь даже самых узких кровеносных сосудов, обнаружить жировые отложения (атеросклеротические бляшки), которые сигнализируют о начале артериальной закупорки и позволить лечение до того, как болезнь прогрессирует.

...

Воздействие этого проекта будет обширным. Это улучшит состояние здоровья всех австралийцев с сердечными заболеваниями и снизит расходы на здравоохранение. Он может принести пользу и другим проблемам со здоровьем, включая рак, деменцию и другие нейродегенеративные заболевания. Он предоставит среду для совместной работы мирового класса для обучения следующего поколения австралийских исследователей, стимулируя инновации и развитие новых отраслей и рабочих мест в Австралии.

Профессор Пол Бэннон, взрослый кардиоторакальный хирург международного статуса и ведущих медицинский исследователь,[14][15] обобщает преимущества нанороботов для здоровья.[13]

Если бы я мог миниатюризировать себя внутри тела ... Я мог бы обнаружить ранние, излечимые повреждения ваших коронарных артерий, когда вам будет 25 лет, и таким образом избежать вашей преждевременной смерти.

— Профессор Пол Бэннон, MBBS, PhD, FRACS

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Физика жизни - броуновское движение и броуновские моторы, получено 2020-05-26
  2. ^ Фейнман, Р. (1964). «Броуновское движение». Лекции Фейнмана по физике, том I. С. 41–1.
  3. ^ а б c Астумян, Р. Дин; Хэнги, Питер (12 января 2007 г.). «Броуновские моторы». Физика сегодня. 55 (11): 33. Дои:10.1063/1.1535005. ISSN  0031-9228.
  4. ^ а б c «Исследовательская экспертиза». Сиднейский университет. Получено 2020-06-07.
  5. ^ а б c "Исследования | Швейцарский институт нанонауки". nanoscience.ch. Получено 2020-06-07.
  6. ^ Эйнштейн, А. (1905). "Über die von der molkularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten Suspendierten Teilchen". Annalen der Physik (на немецком). 322 (8): 549–560. Дои:10.1002 / andp.19053220806.
  7. ^ "Нобелевская премия по физике 1926 г.". NobelPrize.org. Получено 2020-06-07.
  8. ^ а б Rd, Астумян (07.10.2007). «Принципы проектирования броуновских молекулярных машин: как плавать в патоке и ходить во время урагана». Физическая химия Химическая физика: PCCP. 9 (37): 5067–83. Дои:10.1039 / b708995c. PMID  17878982.
  9. ^ Скауг, Майкл Дж .; Швеммер, Кристиан; Бахрома, Стефан; Роулингс, Колин Д.; Кнолль, Армин В. (30 марта 2018 г.). «Наножидкостные качающиеся броуновские моторы». Наука. 359 (6383): 1505–1508. Дои:10.1126 / science.aal3271. ISSN  0036-8075. PMID  29599239.
  10. ^ Остер, Джордж (май 2002 г.). «Броуновские трещотки: моторы Дарвина». Природа. 417 (6884): 25. Дои:10.1038 / 417025a. ISSN  1476-4687. PMID  11986647. S2CID  4427109.
  11. ^ а б c Айт-Хадду, Рашид; Герцог, Вальтер (2003-05-01). «Броуновские трещоточные модели молекулярных моторов». Биохимия клетки и биофизика. 38 (2): 191–213. Дои:10.1385 / CBB: 38: 2: 191. ISSN  1559-0283. PMID  12777714. S2CID  28254182.
  12. ^ Розенбаум, Виктор М .; Дехтяр, Марина Л .; Линь, Шэн Сянь; Трахтенберг, Леонид И. (2016-08-12). «Фотоиндуцированный диффузионный молекулярный транспорт». Журнал химической физики. 145 (6): 064110. Дои:10.1063/1.4960622. ISSN  0021-9606.
  13. ^ а б «Грандиозные вызовы - нанороботехника для здоровья». Сиднейский университет. Получено 2020-06-07.
  14. ^ "О". Пол Бэннон. Получено 2020-06-07.
  15. ^ "SLHD - профессор Пол Бэннон". www.slhd.nsw.gov.au. Получено 2020-06-07.

внешняя ссылка