研究人员在纳米电机领域取得了一项开创性的突破--DNA 折叠纳米涡轮机。这种纳米级设备代表了一种模式的转变，它利用离子梯度或固态纳米孔的电势来驱动涡轮进行机械旋转。这一开创性发现的核心是"DNA折纸"涡轮机的设计、制造和驱动运动，它有三个手性叶片，全部在一个微小的25纳米框架内，在固态纳米孔中运行。通过巧妙地设计两个手性涡轮，研究人员现在能够决定顺时针或逆时针的旋转方向。
研究人员开发出一种 DNA 折叠纳米涡轮，它具有根据离子浓度改变旋转方向的独特能力。这一进展为未来在细胞水平上的药物输送提供了潜力，并强调了利用盐梯度能量的前景。图片来源：Cees Dekker 实验室/SciXel
从风车到飞机，流动驱动的涡轮机是塑造我们社会的许多革命性机器的核心。甚至生命本身的基本过程也严重依赖涡轮机，例如为生物细胞产生燃料的 FoF1-ATP 合酶和推动细菌的细菌鞭毛马达。
这种纳米涡轮机有一个直径为 25 纳米的转子，由 DNA 材料制成，叶片按右手或左手方向配置，以控制旋转方向。为了运转，这种结构要停靠在强大的水流中，水流受电场或盐浓度差的控制，从薄膜上的纳米孔（一个微小的开口）流出。我们用涡轮机驱动一根刚性杆，每秒可转 10 圈。
DNA折叠纳米涡轮的旋转受离子浓度的影响，为先进的药物输送和利用盐梯度获取能量铺平了道路。图片来源：Cees Dekker 实验室/SciXel
这项研究最引人入胜的发现之一是DNA折纸纳米涡轮旋转的独特性。它的行为受离子浓度的影响，根据溶液中 Na+ 离子的浓度，同一个涡轮可以顺时针或逆时针旋转。这一纳米级领域独有的独特功能是离子、水和 DNA 之间错综复杂的相互作用的结果。
这些发现得到了伊利诺伊大学 Aleksei Aksimentiev 小组大量分子动力学模拟和哥廷根大学 MPI 研究所 Ramin Golestanian 理论建模的严格支持，有望拓展纳米技术的视野，并提供大量应用。例如，未来我们也许可以利用 DNA 折纸制作纳米机器，将药物输送到人体内的特定类型细胞中。
这项研究的负责人塞斯-德克尔（Cees Dekker）介绍了他们的研究方法："我们与慕尼黑工业大学亨德里克-迪茨（Hendrik Dietz）实验室的合作者一起，利用以前在 DNA 旋转电机方面的研究成果，创造出了一种可以完全控制其设计和运行的涡轮机。DNA 折纸技术利用互补 DNA 碱基对之间的特殊相互作用来构建动态三维纳米物体。这种设计可以通过叶片的手感控制涡轮在纳米孔中的旋转方向，并可将涡轮直接集成到其他纳米机器上。"
这项研究成果是继去年推出 DNA 有源纳米转子之后的又一成果，DNA 有源纳米转子是一种能够将电能或盐梯度转化为实际机械功的自配置装置。更多信息 用DNA构建纳米级转子。
研究人员已经揭示了利用纳米孔中的水和盐推动纳米级转子的基本原理。在合理设计的推动下，今年的突破标志着其工作进入了下一个阶段，为未来的仿生跨膜机器奠定了基础，并有可能利用盐梯度的能量，这是生物马达能够使用的重要能源。