根据发表在 《自然纳米技术 》杂志上的研究，科学家们创造了世界上第一个工作纳米级电动机。科学团队设计了一种由DNA设计的涡轮机，该涡轮机由纳米孔内的流体动力流动提供动力，纳米孔是固态氮化硅膜上的纳米大小的孔。
这种微型电机可以帮助激发对未来应用的研究，例如为有用的化学物质建造分子工厂，或者为血液中的分子进行医学探针以检测癌症等疾病。
“普通的宏观机器在纳米尺度上变得效率低下，”该研究的共同作者、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理学教授Aleksei Aksimentiev教授说。“我们必须开发新的原理和物理机制，以非常非常小的规模实现电动机。
微型电机的实验工作由代尔夫特理工大学的Cees Dekker和慕尼黑工业大学的Hendrik Dietz进行。
Dietz是DNA折纸领域的世界专家。他的实验室操纵DNA分子制造了微型电机的涡轮机，该涡轮机由30个双链DNA螺旋组成，这些螺旋被设计成一个轴和三个长度约为72个碱基对的叶片。德克尔的
实验室工作证明，涡轮机确实可以通过施加电场来旋转。Aksimentiev的实验室对一个由500万个原子组成的系统进行了全原子分子动力学模拟，以表征电机如何工作的物理现象。
该系统是最小的表示形式，可以产生有关实验的有意义的结果;然而，“从DNA折纸的角度来看，这是有史以来最大的模拟之一，”Aksimentiev说。
从不可能完成的任务到可能完成的任务
德克萨斯州高级计算中心（TACC）授予Aksimentiev领导资源分配，以帮助他在美国国家科学基金会（NSF）资助的美国顶级学术超级计算机Frontera上研究中尺度生物系统。
“Frontera在这项DNA纳米涡轮机工作中发挥了重要作用，”Aksimentiev说。“我们在两到三周内获得了微秒级的模拟轨迹，而不是在较小的计算系统上等待一年或更长时间。大型模拟是在Frontera上使用大约四分之一的机器完成的 - 超过2,000个节点，“Aksimentiev说。“然而，这不仅仅是硬件，还有与TACC工作人员的互动。一旦有机会，充分利用资源就非常重要。
Aksimentiev还获得了NSF资助的Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem： Services & Support （ACCESS） on Expanse of the San Diego Supercomputer Center and Anvil of Purdue University的超级计算机分配。
“我们有多达 100 种不同的纳米电机系统需要模拟。我们必须在不同的条件下快速运行它们，ACCESS超级计算机完美地协助了这一点，“Aksimentiev说。“非常感谢NSF的支持 - 如果没有这些系统，我们将无法进行科学研究。
DNA作为基石
工作DNA纳米涡轮机的成功建立在先前的研究基础上，该研究也使用了Frontera和ACCESS超级计算机。研究表明，单个DNA螺旋是人们可以建造的最小的电动机 - 它可以每分钟旋转十亿转。
根据Aksimentiev的说法，DNA已经成为纳米尺度的建筑材料。
“DNA碱基对是一个非常强大的编程工具。我们可以使用Cadnano软件从DNA中对几何三维物体进行编程，只需对构成双螺旋梯级的字母序列进行编程，“他解释说。
使用DNA作为构建块的另一个原因是它带有负电荷，这是制造电动机的基本特征。
“我们想再现最壮观的生物机器之一 - ATP合酶，它是由电场驱动的。我们选择用DNA做我们的电机，“阿克西门季耶夫说。
"这项新工作是第一个纳米级电机，我们可以控制转速和方向，"他补充道。它是通过调整固态纳米孔膜上的电场和转子周围流体的盐浓度来完成的。
“在未来，我们也许能够使用新的纳米级电动机合成分子，或者我们可以将其用作更大的分子工厂的元素，在那里东西可以移动。或者我们可以把它想象成软推进的载体，合成系统可以进入血液，一次探测一个分子或细胞，“Aksimentiev说。
如果你认为这听起来像是 1960 年代的科幻电影，那你是对的。
在电影《奇妙的航程》中，一队美国人乘坐核潜艇被缩小并注射到科学家的体内以修复血凝块，并且需要在小型化消失之前快速工作。
尽管这听起来很牵强，但阿克西门季耶夫说，我们今天正在开发的机器的概念和元素可以使这样的事情发生。
“我们之所以能够做到这一点，是因为超级计算机，”阿克西门季耶夫说。
“随着我们构建的系统的复杂性增加，超级计算机变得越来越不可或缺。它们是计算显微镜，在最终分辨率下可以看到单个原子的运动，以及它如何耦合到更大的系统。