【伺服电动缸应用】yijiang.|伺服电动缸电机在纳米孔上的单向旋转范畴的认证

应用高压蒸气、水流乃至风力推进伺服电动缸电机旋转取得能量，无疑是人类开展进程中至关重要的一步，大幅度推进了人类社会的进步。相较于人类设计制造的大型机械不同，自然界早曾经进化出了微纳级别的相似于伺服电动缸旋转电机构造的构造，如马达等，在生命体的活动中发挥了重要作用。因而，如何开发、应用微纳尺度的伺服电动缸旋转电机等纳米构造，是构建更为复杂和更为高效的人工机械中的重要一环。

但是，与宏观尺度的伺服电动缸机器相比，纳米构造会遭到诸如布朗运动等要素影响，这些要素会招致纳米构造无法持续的停止定向运动，迄今为止科学家们只能经过人为更改外部实验条件来将这些纳米构造推入新的均衡状态停止状态调控，如外加电场或链置换等，因而，如何构建一个能够经过耗费自在能自发定向运动的旋转纳米伺服电动缸机器，依然非常具有应战性。

2022年8月4日，来自荷兰代尔夫特理工大学教授、德国慕尼黑工业大学的教授和英国牛津大学共同报道了一种自组装的伺服电动缸构造，能够应用水和离子流的能量停止持续的定向伺服电动缸旋转运动。

该纳米伺服电动缸旋转机器由D链组成，其中主链是六根450 nm的电机螺旋构造（6hb），中心点向外突出一条50 nm的电机双链（1a，b），作者经过在主链的一端或者两端修饰荧光分子来检测链的旋转运动。随后，这些电机构造被放置在20×20个直径约50nm的固态纳米孔阵列上（1c，d）。能够经过在相同的缓冲液体系下施加电压或者在填充不同的缓冲液体系使得该电机构造靠近纳米孔（1e），6hb平行于外表的电机构造被捕获无法穿过孔道，能够用于后续研讨，电机构造垂直于孔道的会在驱动力的作用下穿过孔道，这局部作者不停止深化讨论。

在电压驱动的体系下，电机转子呈现持续的伺服电动缸单向旋转运动（2a）2b是纳米孔上横亘了一个电机构造的单个荧光点的连续成像，图像显现荧光斑点盘绕孔隙做定向旋转（中心为红十字）。图2c是该电机转子末端位置的热图，分明地显现了电机末端旋转的圆形轨迹。20帧连续的图像显现了该电机转子的单向顺时针运动。末端的累积角位移θ（t）标明，在记载期间（40 s），该转子坚持了数百次旋转（2d）。图2e展现了来自单次实验的40个电机转子的累积角位移θ（t），其中线性曲线表示电机构造在纳米孔上的定向运动。这些转子的线性均方位移（MSD）进一步阐明定有向运动（图2f），这与仅由布朗运动产生的MSD曲线构成鲜明比照。同时，大局部旋转的速度和方向通常坚持得很好，但是依然有一些旋转运动与定向旋转不同，占一切有效数据中的1%（2g-i）。作者还发现当跨膜电压从50 mV切换到100 mV会招致旋转的速度忽然增加（2j），而且许多静止转子会进入旋转状态。

为了进一步提醒了电机纳米构造伺服电动缸旋转的缘由，作者用不同的颜色标志了6hb的两端（3a，b），3b–d展现了电机纳米构造两端的典型热图，这些数据标明，纳米棒两端的间隔在50到350 nm之间（图3e），比6hb理论上的450nm长度短得多，阐明电机棒在旋转过程中根本上都发作了机械变形。从这些实验现象中，作者以为纳米孔上的这些电机纳米棒自发构成稳定的弯曲构象，毁坏了纳米棒内固有的构造对称性，以维持持续的旋转。这种自发过程必需来自纳米孔和带电的纳米棒之间的互相作用。作者同样经过模仿的办法来考证了本人的猜测（3f-k），模仿的结果也证明了作者的上述猜测。

最后，作者发现简单的浓度梯度也能够驱动电机转子做定向伺服电动缸旋转。经过在薄膜两侧引入不同浓度的溶液（cis:trans=50  mM:550  mM）（4a），电机纳米棒在扩散电泳力的作用下，展现出持续的单向旋转（图4b，c），证明该纳米机器可以将这种静态离子梯度中的伺服电动缸自在能转化为机械能。

综上所述，本文中作者展现了一种能够停止持续定向伺服电动缸旋转的电机纳米机器，这些纳米机器经过膜上的电化学不均衡在纳米孔中产生的流体驱动进入持续的单向旋转运动，以至能够将膜两侧离子梯度中的自在能转化为机械能，为人造纳米机器伺服电动缸提供一种新的思绪。

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