Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о броуновских двигателях как о молекулярных машинах. Для физических явлений и теории см Броуновское движение .
Часть серии статей о
Молекулярная
нанотехнология
Кинезин , пример молекулярного мотора, который использует АТФ для «прогулки» по нанотрубочкам , теперь считается примером броуновского мотора.

Броуновские двигатели - это наноразмерные или молекулярные машины, которые используют химические реакции для создания направленного движения в пространстве. [1] Теория, лежащая в основе броуновских двигателей, основана на феномене броуновского движения , случайного движения частиц, взвешенных в жидкости ( жидкости или газе ), в результате их столкновения с быстро движущимися молекулами в жидкости. [2]

На наномасштабе (1-100 нм) вязкость преобладает над инерцией , а чрезвычайно высокая степень теплового шума в окружающей среде делает обычное направленное движение практически невозможным, потому что силы, толкающие эти двигатели в желаемом направлении, ничтожны по сравнению со случайными. силы со стороны окружающей среды. Броуновские двигатели работают специально, чтобы использовать этот высокий уровень случайного шума для достижения направленного движения, и поэтому они жизнеспособны только в наномасштабе . [3]

Понятие броуновского двигателей является недавнее один, будучи только был придуман в 1995 году Питер Хангги , но существование таких двигателей в природе может существовать в течение очень долгого времени и помогают объяснить важные клеточные процессы , которые требуют движения на наноуровне , такие как синтез белка и мышечное сокращение . Если это так, броуновские двигатели могут иметь значение для основ самой жизни . [3]

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

История [ править ]

20 век [ править ]

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 место пасьянсов
 станет местом бесконечных колебаний.

 Будь то посреди моря,
 На темном, зеленом водяном колесе,
 Или на пляжах,
 Не должно быть прекращения
 движения или шума движения,
 Возобновления шума
 И многообразного продолжения;

 И, по большей части, движение мысли
 И его беспокойное повторение,

 Вместо пасьянсов,
 Которое должно быть местом бесконечных колебаний.

Уоллес Стивенс (1879-1955).

Термин «броуновский двигатель» был первоначально изобретен швейцарским физиком-теоретиком Питером Хенгги в 1995 году. [3] Броуновский двигатель, как и феномен броуновского движения, лежащий в основе его теории, также был назван в честь шотландского ботаника 19 века Роберта Брауна , который: глядя через микроскоп на пыльцу из растений Кларкия pulchella погруженного в воду, лихо описал хаотическое движение частиц пыльцы в воде в 1827. в 1905, почти восемьдесят лет спустя, физик - теоретик Альберт Эйнштейн опубликовал статью , где он моделировал движение пыльца перемещается индивидуумомМолекулы воды , [6] , и это было подтверждено экспериментально Жан Перрен в 1908 году, который был удостоен Нобелевской премии по физике в 1926 году «за его работу на разрывной структуры материи». [7] Эти разработки помогли создать основы современных теорий наноразмерного мира.

Нанонаука традиционно долгое время оставалась на пересечении физических наук, физики и химии , но последние достижения в области исследований все больше выводят ее за рамки любой из этих двух традиционных областей. [8]

21 век [ править ]

В 2002 году , семенных документ о броуновского двигателей опубликованы в Американском институте физики журнала Physics Today , «броуновское моторы», Дин Astumian, профессор физики в Университете штата Мэн в Ороно , и Питер Хангги , профессор теоретической физики в Аугсбургском университете , 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 Хенгги приводят в своей статье копию Уоллеса Стивенса.Поэма 1919 года «Место одиночек», элегантно иллюстрирующая с абстрактной точки зрения непрекращающуюся природу шума.

Вдохновленные захватывающим механизмом, с помощью которого белки движутся в условиях теплового шума, многие физики работают над пониманием молекулярных двигателей 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 Астумян и Питер Хенгги, "Brownian Motors"

Важной демонстрацией наноинженерии и нанотехнологий стало создание IBM в 2018 году практического искусственного броуновского двигателя. [9] В частности, энергетический ландшафт был создан путем точного формирования наножидкостной щели, а затем использовались переменные потенциалы и осциллирующее электрическое поле. «Качать» наночастицы для создания направленного движения. Эксперимент успешно заставил наночастицы двигаться по дорожке в форме контура логотипа IBM и стал важной вехой в практическом использовании броуновских двигателей и других элементов в наномасштабе .

Sydney Nanoscience Hub , AU $ 150 млн целевой объект для исследования наноразмерных и образования.

Кроме того, различные учреждения по всему миру, такие как Институт наноистики Сиднейского университета со штаб-квартирой в Сиднейском центре нанонаук (SNH) и Швейцарский институт нанонауки (SNI) в Университете Базеля , являются примерами исследовательской деятельности, развивающейся в область нанонауки. Броуновские двигатели остаются центральной концепцией как в понимании естественных молекулярных двигателей, так и в создании полезных наноразмерных машин , включающих 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 [ править ]

Модель храповика служит теоретической основой броуновского двигателя.

Тепловой шум на наноуровне настолько велика , что движется в определенном направлении , так же трудно , как «ходить в ураган » или «плавание в патоки ». [8] Теоретическая работа броуновского двигателя может быть объяснена теорией храпового механизма, в которой сильные случайные тепловые колебания позволяют перемещать частицу в желаемом направлении, в то время как энергия расходуется на противодействие силам , которые вызывают движение в противоположном 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 какхимическая энергия поступает из молекулы аденозинтрифосфата (АТФ).

Броуновский храповик кажущийся вечный двигатель , который , как представляется , нарушает второй закон термодинамики , но позже была развенчан на более детальный анализ, Ричард Фейнман и другими физиками . Разница между настоящими броуновскими двигателями и вымышленными броуновскими храповиками заключается в том, что только в броуновских двигателях имеется подвод энергии для обеспечения необходимой силы для удержания двигателя на месте, чтобы противодействовать тепловому шуму, который пытается двигать двигатель в противоположном направлении. . [10]

Поскольку броуновские двигатели полагаются на случайную природу теплового шума для достижения направленного движения, они являются стохастическими по своей природе, поскольку их можно анализировать статистически, но нельзя точно предсказать. [11]

Примеры в природе [ править ]

В биологии многое из того, что мы понимаем под молекулярными моторами на основе белков, на самом деле может быть также броуновскими моторами. Эти молекулярные моторы способствуют важнейшим клеточным процессам в живых организмах и, действительно, имеют фундаментальное значение для самой жизни .

Исследователи добились значительных успехов в изучении этих органических процессов, чтобы понять их внутреннюю работу. Например, у людей существуют молекулярные броуновские моторы в виде нескольких различных типов белков . Два обычных биомолекулярных броуновских двигателя - это АТФ-синтаза , вращательный двигатель, и миозин II , линейный двигатель. [11] АТФ-синтаза моторного белка производит вращательный момент, который облегчает синтез АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (P i) через следующую общую реакцию:

АДФ + Р я + 3H + из ⇌ АТФ + Н 2 О + 3H + в

Напротив, крутящий момент, создаваемый миозином II, является линейным и является основой процесса сокращения мышц . [11] Подобные моторные белки включают в себя кинезин и динеин , которые все преобразующие химическую энергию в механическую работу путем гидролиза из АТФ . Многие моторные белки в клетках человека действуют как броуновские моторы, производя направленное движение в наномасштабе , и некоторые распространенные белки этого типа проиллюстрированы следующими изображениями, сгенерированными компьютером .

  • Белки действуют как броуновские моторы внутри клеток человека

  • АТФ-синтаза

  • Миозин II

  • Кинезин

  • Воспроизвести медиа

    Дайнейн

Приложения [ править ]

Нанороботика [ править ]

Актуальность броуновских двигателей для требований направленного движения в наноробототехнике становится все более очевидной для исследователей как из академических кругов, так и из промышленности. [4] [5]

Искусственное воспроизведение броуновских двигателей зависит от природы и отличается от нее, и одним из конкретных типов является фотомотор, в котором двигатель переключает состояния из-за импульсов света и генерирует направленное движение. Эти фотомоторы, в отличие от их естественных аналогов ˇ, являются неорганическими и обладают большей эффективностью и средней скоростью , поэтому они лучше подходят для использования человеком, чем существующие альтернативы, такие как моторы на органических белках. [12]

В настоящее время один из шести нынешних «Великие задачи» в Университете Сиднея Nano института является разработка нанороботов для здоровья , ключевым аспектом которой является « наноразмерные части литейные » , который может производить наноразмерные броуновского двигатели для « активного транспорта вокруг тела ». Институт предсказывает, что среди последствий этого исследования - «сдвиг парадигмы» в здравоохранении «от модели« исправление разрыва »к фокусированию на профилактике и раннем вмешательстве», как в случае с сердечными заболеваниями : [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 провести 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 обеспечит среду сотрудничества мирового класса для обучения нового поколения австралийских исследователей, стимулируя инновации и развитие новых отраслей и рабочих мест в Австралии.

Профессор Пол Бэннон, взрослый кардио хирург международного положения и ведущего медицинского исследователя , [14] [15] суммирует преимущества нанороботов в области здравоохранения. [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

См. Также [ править ]

  • Молекулярные машины
  • Молекулярный мотор
  • Броуновское движение
  • Броуновская трещотка
  • Нанотехнология
  • Наноробототехника
  • Роберт Браун
  • Питер Хенгги

Примечания [ править ]

  1. ^ Физика жизни - броуновское движение и броуновское Motors , извлекаться 2020-05-26
  2. ^ Фейнман, Р. (1964). «Броуновское движение» . Фейнмановские лекции по физике, Том I . С. 41–1.
  3. ^ a b c Астумиан, Р. Дин; Хэнги, Питер (12 января 2007 г.). «Броуновские моторы». Физика сегодня . 55 (11): 33. DOI : 10,1063 / 1,1535005 . ISSN 0031-9228 . 
  4. ^ a b c «Научно-исследовательская экспертиза» . Сиднейский университет . Проверено 7 июня 2020 .
  5. ^ a b c "Исследования | Швейцарский институт нанонауки" . nanoscience.ch . Проверено 7 июня 2020 .
  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 языке). 322 (8): 549–560. Bibcode : 1905AnP ... 322..549E . DOI : 10.1002 / andp.19053220806 .
  7. ^ "Нобелевская премия по физике 1926" . NobelPrize.org . Проверено 7 июня 2020 .
  8. ^ a b Rd, Астумян (2007-10-07). «Принципы проектирования броуновских молекулярных машин: как плавать в патоке и ходить во время урагана». Физическая химия Химическая физика: PCCP . 9 (37): 5067–83. Bibcode : 2007PCCP .... 9.5067A . DOI : 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. arXiv : 1808.08147 . Bibcode : 2018Sci ... 359.1505S . DOI : 10.1126 / science.aal3271 . ISSN 0036-8075 . PMID 29599239 .  
  10. ↑ Остер, Джордж (май 2002 г.). «Броуновские трещотки: моторы Дарвина» . Природа . 417 (6884): 25. Bibcode : 2002Natur. 417 ... 25O . DOI : 10.1038 / 417025a . ISSN 1476-4687 . PMID 11986647 . S2CID 4427109 .   
  11. ^ a b c Айт-Хадду, Рашид; Герцог, Вальтер (2003-05-01). «Броуновские трещоточные модели молекулярных моторов». Биохимия и биофизика клетки . 38 (2): 191–213. DOI : 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. Bibcode : 2016JChPh.145f4110R . DOI : 10.1063 / 1.4960622 . ISSN 0021-9606 . 
  13. ^ a b «Грандиозные вызовы - нанороботехника для здоровья» . Сиднейский университет . Проверено 7 июня 2020 .
  14. ^ "О" . Пол Бэннон . Проверено 7 июня 2020 .
  15. ^ "SLHD - профессор Пол Бэннон" . www.slhd.nsw.gov.au . Проверено 7 июня 2020 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Магнаско, Миссури (1993). «Принудительные термические трещотки». Phys. Rev. Lett . 71 (10): 1477–1481. Bibcode : 1993PhRvL..71.1477M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.71.1477 . PMID  10054418 .
  • Магнаско, Миссури (1994). «Двигатели молекулярного сгорания». Phys. Rev. Lett . 72 (16): 2656–2659. Bibcode : 1994PhRvL..72.2656M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.72.2656 . PMID  10055939 .
  • Астумян, Р.Д. (1997). «Термодинамика и кинетика броуновского двигателя» (PDF) . Наука . 276 (5314): 917–922. DOI : 10.1126 / science.276.5314.917 . PMID  9139648 .
  • Астумян, РД; Хангги, П. (2002). «Броуновские моторы» (PDF) . Физика сегодня . 55 (11): 33–39. Bibcode : 2002PhT .... 55k..33A . DOI : 10.1063 / 1.1535005 .
  • Hänggi, P .; Marchesoni, F .; Нори, Ф. (2005). «Броуновские моторы» (PDF) . Annalen der Physik . 14 (1–3): 51–70. arXiv : cond-mat / 0410033 . Bibcode : 2005AnP ... 517 ... 51H . DOI : 10.1002 / andp.200410121 . S2CID  1724528 .
  • Freund, JA; Пешель, Т. (2000). «Стохастические процессы в физике, химии и биологии». Конспект лекций по физике, т. 557 . Берлин: Springer. ISBN 978-3-540-41074-4.
  • Броуновский мотор на arxiv.org
  • Хангги, Питер; Марчесони, Фабио (2009). «Искусственные броуновские двигатели: управление транспортом в наномасштабе» (PDF) . Обзоры современной физики . 81 (1): 387–442. arXiv : 0807.1283 . Bibcode : 2009RvMP ... 81..387H . DOI : 10.1103 / RevModPhys.81.387 . S2CID  16690300 .