重点提要

　　-纳米科技拥有许多潜在未来应用，例如可用于组装其它机械，或是在人体内移动、投送药物或进行微型手术。

　　-这类机器将面对独特的物理学原理。在极小的尺度中，液体和蜂蜜一样黏稠，布朗运动则使所有物体不断摇晃。

　　-化学家由活细胞的生物引擎取得灵感，研究如何透过触媒反应为纳米机器人提供动力。

　　想象一下，如果能制造大小和细菌或分子相仿的汽车、飞机或潜艇，把这些超微机器人当成外科医师注射入人体，便能标定并治愈病灶，例如动脉内的斑块和可能导致阿兹海默症的蛋白质沉淀等。另外，具备纳米尺度特征与组件的纳米机器人也可钻进桥梁或飞机翼中，修复肉眼看不见的裂缝，防止它扩大而导致严重损坏、酿成灾害。

　　近年来，化学家开发出许多适用于微型机械的优异分子结构。举例来说，美国莱斯大学的涂尔(James Tour)等人制作出分子尺度的汽车，以四个巴克球(形状类似足球的碳分子)当作车轮，大小约为人体细胞的1/5000。但如果打开纳米汽车的引擎盖，你会发现里面没有引擎。涂尔的纳米汽车目前唯一的动力来源是它与周围分子随机碰撞，也就是“布朗运动”。这就是分子机械目前最大的问题：我们知道怎么制造，却不知该怎么推动它。

　　在等于或小于活细胞的尺度中，这项任务还得面对特殊挑战。空气和水对它们而言跟蜂蜜一样黏稠，布朗运动则让分子的行径全无章法。在这些情况下，就算我们能够把汽车引擎做成纳米尺度大小，恐怕也没办法让它动起来。

　　然而，大自然中有许多纳米引擎的例子，观察一下活细胞就知道了。细胞就是使用纳米引擎来改变形状，在分裂时拉开染色体、建造蛋白质、吸收营养、从周围来回运输化学物质等。这类纳米引擎，以及肌肉收缩和细菌鞭毛螺旋状运动的动力来源，都是相同的原理：将化学能(通常以三磷酸腺的形式储存在细胞内)转换成机械能，而这个反应必须藉助触媒，也就是可促进三磷酸腺(ATP)分解的化合物。研究人员运用类似原理制造的人工纳米引擎，已获得令人振奋的进展。

　　2004年，我们参与美国宾州州立大学的研究团队，开发了一种简单的纳米引擎，能运用触媒将储存在燃料分子内的能量转换成运动。我们的构想取自2002年美国哈佛大学的伊斯马基洛夫(Rustem Ismagilov)和怀特塞兹(George Whitesides)提出的触媒引擎，它在尺寸上大了许多。哈佛大学的研究团队发现，长数公分、尾部有白金条(铂)做为触媒的“小船”，可在过氧化氢(双氧水)水溶液的表面上自动前进。铂可促进双氧水分解成氧与水，生成的氧气气泡产生反作用力，推动小船前进，就和喷气由火箭尾部喷出，推动火箭前进一样。

　　缩小版触媒引擎

　　我们的缩小版触媒引擎，是一段长度大约相当于细菌细胞(约2微米)、直径则为细菌细胞的一半(350纳米)的金铂棒，它混合在溶液中，而非漂浮于表面。这些微小的触媒柱和细胞内以ATP为动力来源的分子引擎一样，是以本身周围的液体当作燃料。它们确实会以每秒数十微米的速度自行移动，在显微镜下活像细菌在游泳，看起来有点诡异。

　　不过这个实验的基础假设是错误的，这在科学界经常发生。我们以为纳米棒尾端会释放微小的气泡，以反作用力推动它。但实际上的运作方式更加有趣，也让纳米科技专家了解到，我们必须以相当不同的方式思考极小尺度的运动。

　　在巨观尺度中，反作用力的概念确实有意义。我们游泳或划船时，手、腿或桨将水向后推，反作用力便会推动身体或船身前进，然后手即使停止划动，游泳者或船身仍可向前滑行，滑行的距离取决于黏滞力(或阻力)和惯性(物体对抗速度变化的能力)：阻力与物体的直径成正比，而惯性则与物体的质量成正比(也就是与物体直径的三次方成正比)。对较小的物体而言，惯性的影响很快就可以忽略，因此只需考虑阻力。

　　在微观尺度中，滑行大约在一微秒内就会停止，滑行距离则少于1/100纳米。因此，对于水中的微米尺度物体而言，游泳就像在蜂蜜中艰难前进。纳米引擎不会记得推动它前进的力量(也就是没有惯性)，惯性推进方式(例如船身借由气泡提供的反作用力前进)在这里也起不了作用。

　　纳米棒无法借助滑行来运作，因此事实上是以持续施力来克服阻力。在铂的一端，双氧水分子分解成一个氧分子、两个电子和两个质子。在金的一端，电子和质子会和一个双氧水分子结合，生成两个水分子。这些反应会使棒子的一端多出一个质子、另一端则少一个质子，因此质子会沿着纳米棒的表面由铂端移动到金端。

　　质子和水中其它正离子一样，会吸引水分子带负电的部份，在移动时带动水分子，推动纳米棒朝反方向移动，因为根据牛顿第三运动定律，作用力必有一个大小相等、方向相反的反作用力。

　　在我们的学生以及同校的的克瑞斯皮(Vincent H. Crespi)、维勒戈尔(Darrell Velegol)与凯奇马克(Jeffrey Catchmark)协助之下，我们确立了上述的运作原则，并设计出其它数种触媒纳米引擎。德州大学奥斯汀分校赫勒(Adam Heller)及亚利桑那州立大学王(Joseph Wang)等人曾经展示，混合不同的燃料(包括葡萄糖、氧或双氧水与联胺)可让纳米引擎行进得比在单一燃料中更快。

　　我们开发的金属纳米棒可在大量溶液中移动，由不受双氧水影响的金属纳米棒促使结构表面附近的液体流动，进而带动液体中其它物体。我们已经证明了，带有银质花纹的黄金表面，也会产生这种液体带送效果。

　　从控制航向到自主前进

　　第一批研发出的纳米棒移动方向并不固定，经常在布朗运动的影响下四处乱转。当然，在实际应用中，我们必须设法操控纳米机器朝目标行进。

　　我们首先尝试以磁场来解决操控问题。我们在纳米棒中嵌入可与磁场交互作用的镍片，就像指南针一样，镍片南北极的轴线垂直于纳米棒的长轴。几公厘外有一枚冰箱磁铁，对纳米棒施加力矩，以克服布朗运动使纳米棒乱转的力量。如此一来，剩下的就只有平行于纳米棒长轴的作用力，因此纳米棒可直线移动，并且可用磁场操控，很类似细菌自动对齐地球微弱磁场的行为。类似的引擎也可在微型的磁场迷宫中巡行，沿着磁力线左弯右拐。

　　2008年，克瑞斯皮和本文作者之一沈恩曾经展示以磁场操控的引擎可在液体中拖曳“货柜”，也就是体积为其10倍的塑料球体。这类运输引擎未来将有不少有趣的用途，例如将药物投送到人体特定细胞，或在纳米尺度的组装在线运送分子，以化学方式结合货物与其它分子。

　　在外部操控纳米机器人可能相当有用，但是对某些用途而言，纳米机器人能自行移动可能比较重要。维勒戈尔和沈恩最近发现，我们的触媒纳米棒能循化学“记号路径”行进，这和细菌的行进方式相同。细菌通常以一连串直线方式前进，中间穿插有多次随机转向，但当直线行进正好朝化学梯度较高处行进时(例如越接近食物本身，食物的气味越强)，细菌直线行进的长度也会跟着增加。由于朝有利方向的行进距离比朝不利方向的行进距离长，因此结果是细菌会朝目标聚集，但其实没有什么因素直接操控它们，而是一种称为“趋化性”的行进策略。

　　(摘自台湾《科学人》杂志2009年5月号 撰文：马洛克(Thomas E. Mallouk)、沈恩(Ayusman Sen)；翻译：甘锡安)