Броуновский двигатель

Эта статья о броуновских двигателях как молекулярных машинах. Чтобы узнать о физических явлениях и теории, см. Броуновское движение .

Кинезин , пример молекулярного мотора , использующего 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. Теория, лежащая в основе броуновских двигателей, основана на явлении броуновского движения , хаотического движения частиц , взвешенных в жидкости ( жидкости или газе ), в результате их столкновения с быстродвижущимися молекулами в жидкости.

На наномасштабе (1–100 нм) вязкость доминирует над инерцией , а чрезвычайно высокий уровень теплового шума в окружающей среде делает обычное направленное движение практически невозможным, поскольку силы, побуждающие эти двигатели в желаемом направлении, ничтожны по сравнению со случайными. силы, действующие со стороны окружающей среды. Броуновские двигатели работают специально, чтобы использовать этот высокий уровень случайного шума для достижения направленного движения, и поэтому жизнеспособны только на наноуровне .

Концепция броуновских двигателей возникла недавно, ее придумал Питер Хэнги только в 1995 году , но существование таких двигателей в природе, возможно, существовало в течение очень долгого времени и помогало объяснить важнейшие клеточные процессы , требующие движения на наноуровне . такие как синтез белка и мышечное сокращение . Если это так, броуновские двигатели могут иметь значение для основ самой жизни .

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.

История

20 век

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
Будьте местом постоянных колебаний.

Будь то в середине моря
На темном, зеленом водяном колесе,
Или на пляжах,
Не должно быть прекращения
Движения или шума движения,
Обновление шума
И многообразное продолжение;

И, самое главное, движение мысли
И его беспокойная итерация,

Вместо пасьянсов
Это должно быть местом постоянных колебаний.

Уоллес Стивенс (1879–1955).

Термин «Броуновский двигатель» был первоначально изобретен швейцарским физиком-теоретиком Петером Хэнги в 1995 году. Броуновский двигатель, как и явление броуновского движения, лежащее в основе лежащей в основе его теории, также был назван в честь шотландского ботаника XIX века Брауна , который, рассматривая в микроскоп пыльцу , растения Роберта Clarkia pulchella погруженную в воду, классно описал хаотическое движение. частиц пыльцы в воде в 1827 году. В 1905 году, почти восемьдесят лет спустя, физик-теоретик Альберт Эйнштейн опубликовал статью , в которой смоделировал движение пыльцы как движение отдельных молекул воды . и это было экспериментально подтверждено Жаном Перреном в 1908 году, который был удостоен Нобелевской премии по физике в 1926 году «за работу по разрывной структуре материи». Эти разработки помогли создать основы нынешних теорий наномира .

Нанонаука традиционно долгое время оставалась на стыке физических наук, физики и химии , но последние достижения в исследованиях все больше выводят ее за рамки любой из этих двух традиционных областей.

21 век

была опубликована основополагающая статья Американского института физики В 2002 году в журнале Physics Today «Брауновские двигатели» Дина Астумиана и Питера Хэнги . Там они предложили новую на тот момент концепцию броуновских двигателей и заявили, что «тепловое движение в сочетании с входной энергией приводит к передаче случайностей, которые можно использовать для осуществления контроля над микроскопическими системами». Астумян и Хэнги приводят в своей статье копию стихотворения Уоллеса Стивенса , написанного в 1919 году, «Место одиночества» чтобы элегантно проиллюстрировать с абстрактной точки зрения непрерывную природу шума.

Вдохновленные удивительным механизмом движения белков под воздействием теплового шума, многие физики работают над пониманием молекулярных моторов в мезоскопическом масштабе. Важным выводом из этой работы является то, 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 выдающиеся основные физические концепции, которые возникли. Но сначала отметим, что поэтов тоже очаровывал шум; см. поле 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 Астумиан и Питер Хэнги, «Brownian Motors»

Через год после статьи Астумиана-Хэнги группа органической химии Дэвида Ли сообщила о первых искусственных молекулярных броуновских двигателях. В 2007 году та же команда сообщила о механизме молекулярной информации, вдохновленном «Демоном Максвелла» .

Еще одной важной демонстрацией наноинженерии и нанотехнологий стало создание IBM в 2018 году практического искусственного броуновского двигателя. В частности, энергетический ландшафт был создан путем точного формирования наножидкостной щели, а затем использовались переменные потенциалы и колеблющееся электрическое поле, чтобы «раскачивать» наночастицы для создания направленного движения. Эксперимент успешно заставил наночастицы двигаться по дорожке, имеющей форму контура логотипа IBM, и стал важной вехой в практическом использовании броуновских двигателей и других элементов на наноуровне .

Сиднейский центр нанонауки , специально построенный объект для наноисследований и образования стоимостью 150 миллионов австралийских долларов.

Кроме того, различные учреждения по всему миру, такие как Нано-институт Сиднейского университета со штаб-квартирой в Сиднейском центре нанонаук (SNH) и Швейцарский институт нанонаук (SNI) при Базельском университете , являются примерами исследовательской деятельности, возникающей в область нанонауки. Броуновские двигатели остаются центральной концепцией как в понимании природных молекулярных двигателей , так и в создании полезных наномашин , обеспечивающих направленное движение.

Нанонаучные исследования в Швейцарском институте нанонаук (SNI) сосредоточены на областях, которые могут принести пользу наукам о жизни, устойчивому развитию, а также информационным и коммуникационным технологиям. Цель состоит в том, чтобы исследовать явления на наноуровне, а также выявить и применить новые новаторские принципы. Это предполагает погружение 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

Модель храпового механизма служит теоретической основой броуновского двигателя.

Тепловой шум на наномасштабе настолько велик, что двигаться в определенном направлении так же сложно, как «идти в урагане » или «плавать в патоке ». Теоретическое действие броуновского двигателя можно объяснить с помощью теории храпового механизма, согласно которой сильные случайные тепловые колебания позволяют перемещать частицу в желаемом направлении, в то время как энергия расходуется на противодействие силам , которые могли бы вызвать 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, поскольку химическая энергия поступает из молекулы аденозинтрифосфата (АТФ).

Броуновский храповик - это очевидный вечный двигатель , который, по-видимому, нарушает Второй закон термодинамики , но позже был развенчан после более детального анализа Ричардом Фейнманом и другими физиками . Разница между настоящими броуновскими двигателями и вымышленными броуновскими храповыми механизмами заключается в том, что только в броуновских двигателях подается энергия , обеспечивающая необходимую силу, удерживающую двигатель на месте и противодействующую тепловому шуму , который пытается переместить двигатель в противоположном направлении. .

Поскольку броуновские двигатели для достижения направленного движения полагаются на случайную природу теплового шума , они носят стохастический характер, поскольку их можно анализировать статистически , но невозможно точно предсказать.

Примеры в природе

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

Исследователи добились значительных успехов в изучении этих органических процессов , чтобы лучше понять их внутреннюю работу. Например, у человека существуют молекулярные броуновские моторы в виде нескольких различных типов белков . Двумя распространенными биомолекулярными броуновскими двигателями являются АТФ-синтаза , вращательный двигатель, и миозин II , линейный двигатель. Моторный белок АТФ-синтаза создает вращательный момент , который облегчает синтез АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (P _i ) посредством следующей общей реакции:

ADP + P _i + 3H ⁺ _выход ⇌ АТФ + Н ₂ О + 3Н ⁺ _в

Напротив, крутящий момент, создаваемый миозином II, является линейным и является основой процесса мышечного сокращения . Подобные моторные белки включают кинезин и динеин , которые преобразуют химическую энергию в механическую работу гидролиза АТФ путем . Многие моторные белки в клетках человека действуют как броуновские моторы, производя направленное движение на наноуровне , а некоторые распространенные белки этого типа проиллюстрированы следующими компьютерными изображениями .

• Белки, действующие как броуновские моторы внутри клеток человека
• 
  АТФ-синтаза
• 
  Миозин II
• 
  Кинезин
• Продолжительность: 19 секунд. 0:19
  Дайнейн

Приложения

Наноробототехника

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

Искусственное воспроизведение броуновских двигателей основано на природе и отличается от нее, и одним конкретным типом является фотомотор, в котором двигатель переключает состояния благодаря импульсам света и генерирует направленное движение. Эти фотомоторы, в отличие от своих природных аналогов , неорганические , обладают большей эффективностью и средней скоростью и поэтому лучше подходят для использования человеком, чем существующие альтернативы, такие как органические белковые моторы.

В настоящее время одной из шести текущих «больших задач» Нано-института Сиднейского университета является разработка наноробототехники для здоровья , ключевым аспектом которой является « наноразмерных деталей литейный цех », способный производить наноразмерные броуновские двигатели для « активного транспорта по телу». ». Институт прогнозирует, что одним из последствий этого исследования является «сдвиг парадигмы» в здравоохранении «от модели « ломать-исправить » к акценту на профилактику и раннее вмешательство», как, например, в случае с сердечно-сосудистыми заболеваниями :

Изменения на молекулярном уровне при ранних заболеваниях сердца происходят на наноуровне. Чтобы обнаружить эти изменения, мы создаем наноразмерных роботов, меньше клеток, которые будут перемещаться по телу. Это позволит нам заглянуть внутрь даже самых узких кровеносных сосудов, обнаружить жировые отложения (атеросклеротические бляшки), которые сигнализируют о начале закупорки артерий, и позволит начать лечение до того, как заболевание прогрессирует.

...

Влияние этого проекта будет обширным. Это улучшит состояние здоровья всех австралийцев, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, и снизит расходы на здравоохранение. У него есть потенциал для решения других проблем со здоровьем, включая рак, деменцию и другие нейродегенеративные заболевания. Он обеспечит среду сотрудничества мирового класса для обучения следующего поколения австралийских исследователей, стимулирования инноваций и развития новых отраслей и рабочих мест в Австралии.

Профессор Пол Бэннон, взрослый кардиоторакальный хирург с международным авторитетом и ведущий медицинский исследователь , обобщает преимущества наноробототехники для здоровья.

Если бы я мог миниатюризировать себя внутри тела... я мог бы обнаружить ранние, излечимые повреждения ваших коронарных артерий, когда вам исполнится 25 лет, и таким образом избежать вашей преждевременной смерти.

— Профессор Пол Бэннон, MBBS, доктор философии, FRACS

См. также

• Молекулярные машины
• Молекулярный мотор
• Броуновское движение
• Броуновский храповик
• Наноинженерия
• Наноробототехника
• Роберт Браун
• Питер Хэнги

Внешние ссылки

• Маньяско, Миссури (1993). «Принудительные термотрещотки». Физ. Преподобный Летт . 71 (10): 1477–1481. Бибкод : 1993PhRvL..71.1477M . дои : 10.1103/PhysRevLett.71.1477 . ПМИД   10054418 .
• Маньяско, Миссури (1994). «Двигатели молекулярного сгорания». Физ. Преподобный Летт . 72 (16): 2656–2659. Бибкод : 1994PhRvL..72.2656M . дои : 10.1103/PhysRevLett.72.2656 . ПМИД   10055939 .
• Астумян, Р.Д. (1997). «Термодинамика и кинетика броуновского двигателя» (PDF) . Наука . 276 (5314): 917–922. дои : 10.1126/science.276.5314.917 . ПМИД   9139648 .
• Астумян, Р.Д.; Хэнги, П. (2002). «Брауниан Моторс» (PDF) . Физика сегодня . 55 (11): 33–39. Бибкод : 2002ФТ....55к..33А . дои : 10.1063/1.1535005 .
• Хангги, П.; Маркесони, Ф.; Нори, Ф. (2005). «Брауниан Моторс» (PDF) . Аннален дер Физик . 14 (1–3): 51–70. arXiv : cond-mat/0410033 . Бибкод : 2005АнП...517...51Н . дои : 10.1002/andp.200410121 . S2CID   1724528 .
• Фройнд, Дж. А.; Пёшель, Т. (2000). «Стохастические процессы в физике, химии и биологии». Конспект лекций по физике, вып. 557 . Берлин: Шпрингер. ISBN  978-3-540-41074-4 .
• Броуновский двигатель на arxiv.org
• Хангги, Питер; Маркесони, Фабио (2009). «Искусственные броуновские двигатели: управление транспортом в наномасштабе» (PDF) . Обзоры современной физики . 81 (1): 387–442. arXiv : 0807.1283 . Бибкод : 2009RvMP...81..387H . дои : 10.1103/RevModPhys.81.387 . S2CID   16690300 .