基于軌道的納米馬達(dá)的理論研究.pdf

1、沿著延展的線性軌道定向運(yùn)輸分子貨物的納米馬達(dá)是近年來興起的一個(gè)研究熱點(diǎn)。這種基于軌道的納米馬達(dá)將實(shí)現(xiàn)高定位精度，高效率的納米運(yùn)輸，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)的馬達(dá)一軌道系統(tǒng)全部是采用生物分子特別是DNA分子構(gòu)造而成，并利用自然存在的生物催化劑實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)的調(diào)控。這些DNA馬達(dá)在定向運(yùn)動(dòng)的機(jī)理方面處于原始的水平，依賴于特殊的生物分子，而且制備和運(yùn)行操作上也有諸多限制。因而離實(shí)際應(yīng)用尚遠(yuǎn)。更先進(jìn)的馬達(dá)一軌道系統(tǒng)的發(fā)展面臨兩大瓶頸性難題

2、：一是缺乏熱力學(xué)概念上有創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)線路明確的定向運(yùn)動(dòng)機(jī)理，二是缺乏適用丁多種馬達(dá)一軌道體系的調(diào)控技術(shù)。本論文的目的是發(fā)展超出已有DNA馬達(dá)的定向機(jī)理和以光吸收引發(fā)的分子結(jié)構(gòu)變化為基礎(chǔ)的馬達(dá)調(diào)控機(jī)制，為發(fā)展原理先進(jìn)，激光驅(qū)動(dòng)的新一代馬達(dá)一軌道系統(tǒng)準(zhǔn)備理論基礎(chǔ)。本論文主要包括以下三個(gè)方面的研究工作。 1．在仔細(xì)考慮馬達(dá)．軌道體系分子細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上，我們提出三種普遍的納米馬達(dá)工作機(jī)制。我們引入了能級(jí)圖的分析方法，具體確定了馬達(dá)工作循環(huán)中

3、的能量流路徑。并以能級(jí)圖分析為基礎(chǔ)發(fā)展出馬達(dá)機(jī)制的解析理論。對(duì)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模擬研究發(fā)現(xiàn)馬達(dá)的方向性，持續(xù)行走長度和速度都取決于馬達(dá)一軌道體系幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的選取。更有趣的是，馬達(dá)的性能隨著軌道結(jié)合點(diǎn)間距的變化呈現(xiàn)出多峰多谷的震蕩型關(guān)系。我們的解析理論揭示了震蕩的分子機(jī)制，并定量的再現(xiàn)了變化曲線的峰值。這些發(fā)現(xiàn)提供了一個(gè)可靠的理論基礎(chǔ)，可用于定量的分析并最優(yōu)化馬達(dá)的性能，為實(shí)驗(yàn)研究確定具體分子參數(shù)。馬達(dá)性能的大幅度振蕩現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)還表明了

4、從系統(tǒng)控制角度研究納米馬達(dá)的必要性，值得在未來研究中進(jìn)一步探討。 2．作為上述普遍機(jī)制的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)，我們提出了一類新型的沿延展軌道定向行走的環(huán)．橋一環(huán)型分子馬達(dá)。該馬達(dá)基于實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的分子穿梭機(jī)的納米機(jī)制，并以六元環(huán)生物馬達(dá)helicases佐證。當(dāng)互斥的雙環(huán)都被平行鎖在軌道上時(shí)，環(huán)的平動(dòng)對(duì)稱性被打破。在對(duì)稱破缺的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了偏向性。以此為基礎(chǔ)，我們所建議的機(jī)制將雙環(huán)之間的距離變化調(diào)整為馬達(dá)整體沿著延展軌道的定向運(yùn)動(dòng)。對(duì)馬

5、達(dá)的操作被簡化為三步光致分子異構(gòu)化操作。應(yīng)用實(shí)際參數(shù)對(duì)馬達(dá)體系的數(shù)值模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證了該馬達(dá)的工作機(jī)制。該納米馬達(dá)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是它的運(yùn)行將具有超乎尋常的穩(wěn)定性。一旦實(shí)現(xiàn)，它將非常適合在苛刻環(huán)境下的長程分子貨物輸運(yùn)。 3．對(duì)激光驅(qū)動(dòng)的納米馬達(dá)體系的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了定量研究，建立了相應(yīng)的單分子散熱理論。由于考慮了足夠的分子細(xì)節(jié)，通過該理論我們可以定量估計(jì)分子馬達(dá)在溶液中的散熱效率，并提出提高散熱效率的可能途徑。我們發(fā)現(xiàn)，在水溶液中