圖示：科學(xué)家受“麥克斯韋妖”（可以在不使用能源的情況讓系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡的科幻動(dòng)物）的啟發(fā)研制新型納米發(fā)動(dòng)機(jī)。
( 生物谷配圖)
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據(jù)www.abc.net.au網(wǎng)站2007年2月2日?qǐng)?bào)道，大約在150年以前,，納米發(fā)動(dòng)機(jī)還只是空想家提出的一個(gè)概念，但是研究人員現(xiàn)在已經(jīng)創(chuàng)造出可能導(dǎo)致微觀納米計(jì)算機(jī)誕生的微型發(fā)動(dòng)機(jī),。
蘇格蘭物理教授詹姆士•克勒克•麥克斯韋于1867年首次設(shè)想出一種原子級(jí)的設(shè)備,，該設(shè)備的綽號(hào)為“麥克斯韋妖”?，F(xiàn)在,，英國(guó)愛丁堡大學(xué)的科學(xué)家已將它變成了現(xiàn)實(shí),。該所大學(xué)的化學(xué)系教授大衛(wèi)•利利稱,，“我們有了一臺(tái)為納米計(jì)算機(jī)制造的新的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械裝置,。”
一臺(tái)納米計(jì)算機(jī)也就是一臺(tái)令人難以致信的微小設(shè)備，它的部件都是由許多單個(gè)的分子組成的,。從光合作用到移動(dòng)身體內(nèi)的肌肉以及通過細(xì)胞傳遞信息的每一件事情,，自然都會(huì)用到納米計(jì)算機(jī),。科學(xué)家正致力于解開適用于微小規(guī)模的納米計(jì)算機(jī)和納米技術(shù)的秘密,。
一納米相當(dāng)于十億分子一米,，它比人類一根毛發(fā)的厚度還要小大約8萬倍。大衛(wèi)•利稱,，“分子機(jī)器允許生物自身以一種分子標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn),。要想實(shí)現(xiàn)使用人造分子機(jī)器做到那種事情的目標(biāo)，我們的新型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械裝置只是邁出一小步,。”
他的機(jī)械裝置能夠捕獲經(jīng)過的分子大小的粒子,。就像麥克斯韋很久以前已經(jīng)預(yù)言的那樣，它不需要能源,，因?yàn)楣饪梢詾樗峁﹦?dòng)力,。
在《自然》雜志上發(fā)表這份研究報(bào)告的大衛(wèi)•利稱，“雖然光以前被用于對(duì)微小的粒子進(jìn)行直接增能,，但是設(shè)計(jì)出一種系統(tǒng)來捕獲以一個(gè)特定的方向進(jìn)行自然運(yùn)動(dòng)的分子尚屬首次,。”他補(bǔ)充稱：“一旦這些分子被捕獲，它們就不可能逃脫,。”
大衛(wèi)•利在贊揚(yáng)麥克斯韋時(shí)稱,，他創(chuàng)建了理解光、熱以及分子以什么樣方式進(jìn)行運(yùn)作的基本原理,。
馴養(yǎng)“麥克斯韋妖”
早在19世紀(jì)初,，克勒克•麥克斯韋就設(shè)想出了一種現(xiàn)在眾所周知的“麥克斯韋妖”，這是一種假想的生物,，它可以在不使用能源的情況讓系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡,。
這種“麥克斯韋妖”看守著一扇活板門，這道活板門位于兩個(gè)分開的充滿氣體的隔室之間,，它可以讓氣體分子在兩個(gè)隔室間流動(dòng),。“麥克斯韋妖”可以使快速移動(dòng)的分子在一條道上移動(dòng)，而慢速移動(dòng)的分子在另一條道上移動(dòng),，這樣直到快速移動(dòng)的分子將一個(gè)加熱室變熱,。
這種溫度的變化，或者說是遠(yuǎn)離平衡已經(jīng)違反了熱力學(xué)第二定律,。
刊登在今天出版的《自然》雜志上的研究文章里,，這些研究人員設(shè)想在不使用能源的情況下，通過創(chuàng)造一種遠(yuǎn)離平衡的機(jī)器來模擬這種情況,。這種機(jī)器可以借助于分子棘輪在自然運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向前拖動(dòng)的力量來運(yùn)轉(zhuǎn),。但是它需要光來為這種運(yùn)動(dòng)供以燃料。
一種向上移動(dòng)的努力
在此前的一項(xiàng)研究中，大衛(wèi)•利及其研究小組表示,，一臺(tái)納米計(jì)算機(jī)可以通過利用分子自身的力量向上移動(dòng)一滴水珠,。雖然，這種運(yùn)動(dòng)是一種很小規(guī)模的運(yùn)動(dòng),，但是這對(duì)于學(xué)習(xí)如何使用人造分子制造機(jī)器卻是一個(gè)很大的進(jìn)步,。
這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械裝置將允許科學(xué)家做到一些與生物機(jī)器能做的極相近的事情。
原文鏈接：http://www.abc.net.au/science/news/stories/2007/1837795.htm
部分英文原文：
A molecular information ratchet
Viviana Serreli1, Chin-Fa Lee1, Euan R. Kay1 and David A. Leigh1
School of Chemistry, University of Edinburgh, The King's Buildings, West Mains Road, Edinburgh EH9 3JJ, UK
Correspondence to: David A. Leigh1 Correspondence and requests for materials should be addressed to D.A.L. (Email: David.Leigh@ed.ac.uk).
Motor proteins and other biological machines are highly efficient at converting energy into directed motion and driving chemical systems away from thermodynamic equilibrium1. But even though these biological structures have inspired the design of many molecules that mimic aspects of their behaviour2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, artificial nanomachine systems operate almost exclusively by moving towards thermodynamic equilibrium, not away from it. Here we show that information about the location of a macrocycle in a rotaxane—a molecular ring threaded onto a molecular axle—can be used, on the input of light energy, to alter the kinetics of the shuttling of the macrocycle between two compartments on the axle. For an ensemble of such molecular machines, the macrocycle distribution is directionally driven away from its equilibrium value without ever changing the relative binding affinities of the ring for the different parts of the axle. The selective transport of particles between two compartments by brownian motion in this way bears similarities to the hypothetical task performed without an energy input by a 'demon' in Maxwell's famous thought experiment16, 17, 18, 19. Our observations demonstrate that synthetic molecular machines can operate by an information ratchet mechanism20, 21, 22, in which knowledge of a particle's position is used to control its transport away from equilibrium.
