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Nature子刊背靠背，诺奖“分子机器”引潮流：香港大学新型光驱动微型马达
2016年诺贝尔化学奖授予了Jean-Pierre Sauvage、J. Fraser Stoddart以及Bernard L. Feringa，以表彰三位科学家对“分子机器的设计与合成”做出的卓越贡献（点击阅读详细）。计算机技术的发展可以看作是一场设备小型化带来的技术革命，今年的诺贝尔化学奖工作也有这个潜力，有希望把化学研究带入了一个全新的维度。从发展的眼光看，分子机器很有可能会在未来的新材料、传感器、医疗、储能系统等多个领域大显身手，也为化学研究带来了一股“清流”。近期，纳米技术顶级期刊Nature Nanotechnology就背靠背发表了两篇与分子机器相关的研究论文，可见其火热程度。
在第一篇论文中，来自香港大学（University of Hong Kong）的唐晋尧教授（Tang Jinyao）受绿藻的趋光性所启发，研发出“双面纳米树（Janus nanotree）”结构的微型马达（microswimmer），在光照条件下，马达两端的光电阳极和光电阴极分别释放出阳离子和阴离子，由离子梯度产生的局部电场能够实现马达的自驱动。此外，通过化学修饰，使马达拥有感知外部光源的光照方向并实现正负趋向性的能力，成功模拟了绿藻的群体趋光行为。（Programmable artificial phototactic microswimmer. Nat. Nanotech., 2016, DOI: 10.1038/NNANO.2016.187）。
唐晋尧教授（左三）、Baohu Dai（本文一作，左二）及其团队。图片来源：香港大学
研究人员首先设计出这种双面纳米树状结构，他们利用硅线做为主杆，其中一端修饰上TiO2纳米线作为光电阳极，另一端修饰以Pt纳米粒子作为光电阴极。依此设计，研究人员以硅片为基底，在其表面生长上垂直的硅线阵列，接着负载上Pt纳米粒子作为欧姆接触层，再覆盖一层聚合物，并通过缓慢蒸发溶剂的方法使硅线顶端暴露出想要的长度，然后在暴露出的顶端沉淀上TiO2种子层，进一步生长成为TiO2纳米线，最后将其从硅片基底上刮下来，就得到双面纳米树状结构的材料。
双面纳米树状结构的设计及制备过程。图片来源：Nat. Nanotech.
由电镜图可以看出，纳米树的尾部约7 μm，头部的TiO2纳米线约为4 μm，并且硅与TiO2都是单晶，这将有利于良好的光电化学活性和导电性。
基底上的纳米树的SEM（左）及单个纳米树的TEM。图片来源：Nat. Nanotech.
在氧化还原对体系（双氧水或氢醌和醌）及紫外光照的条件下，光驱动光电化学反应，在光电阳极和光电阴极分别产生阳离子和阴离子，由此产生的离子浓度梯度形成局部的电场，为马达提供推动力。而TiO2纳米由于头部较大，其遮光效应可以为马达提供转向，朝着光照的方向运动。
微型马达在光照条件下运动。图片来源：Nat. Nanotech.
研究人员进一步研究发现，Zeta电势对马达的运动方向和头尾朝向起着关键作用。他们发现马达整体的Zeta电势可以决定其向光还是背光运动（positive phototaxis or negative phototaxis），而头部TiO2纳米线的Zeta电势可以决定其头向前还是尾向前的运动（head-forward or tail-forward direction）。基于此，研究人员通过化学修饰的方法来调整Zeta电位，实现了编程控制马达的运动方式。
编程可控的马达运动方式。图片来源：Nat. Nanotech.
在一个小视频中，研究团队控制微型马达写下了“nano”这个词，很是惊艳全场。
视频来源：Nat. Nanotech.
此外，研究人员还通过只照射马达的一面来实现马达的旋转。这是由于两面产生不同的光反应速率引起非对称的离子分布，从而产生垂直于树轴方向的电场及扭转力矩，最终使得马达旋转，也就使马达具备了光控的导向功能。最后，研究人员利用这种微型马达，成功地模仿了绿藻群体趋光的行为。
旋转的马达。图片来源：Nat. Nanotech.
宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University）的Ayusman Sen教授对此应用前景展望道：“一个有趣的应用是通过大量的马达来研究自然界的群体行为，这使得我们可以探索活体内复杂的组装行为。”但他同时担忧这种马达的局限性，“基于电泳设计的马达有两方面的局限性，一是在高浓度环境下，如生物体或海洋中，电泳的效果会大打折扣；二是在非极性有机溶剂中，电泳不会产生作用。但考虑到TiO2有光降解有机污染物的功能，马达的运动产生的搅拌可以加速光氧化的速率。总之，分子机器展现其优越性的道路还很漫长。”
1.http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.187.html
2.http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.222.html
（本文由冰供稿）