化学的エネルギーの直接変換により運動する機能性マイクロ／ナノロボットの構築

构建通过化学能直接转换移动的功能性微/纳米机器人

基本信息

批准号：
14J02405
负责人：
吉積義隆
金额：
$ 2.18万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

生体中にはナノスケールで自律的運動や機械的仕事を行う様々な分子機構が存在し、高度かつ複雑な生命現象を支えている。このような天然ナノマシンに匹敵する素子を人工的に構築できれば、細胞工学や材料工学における有用なツールとなると期待される。こうした機能性のデバイスの創製に向けた試みが近年盛んになされているが、柔軟な分子構造が協同的に機能する天然ナノマシンのような多様な動作や高効率な仕事をさせるに至っていない。天然のナノマシンに倣い、構造中に可動部位（関節様構造）を組み込むことが有効な方策として考えられるが、そのような構造の作製は従来のフォトリソグラフィー等の微細加工技術のみでは一般的に困難であり、実験的な知見はほとんど得られていない。そこで本研究では、関節構造を持つマイクロモータの構築手法を提案し、周囲の環境に応答した変形運動といった単純な並進運動を超えた高度な運動性の実現を図った。本モータは、陽極酸化ポーラスアルミナ内で電析させた酸化銅(I)／金／ニッケルマイクロロッドを基本構造としている。ここで、ニッケル部位は外部磁場により予め磁化されており、例えば、２本の酸化銅(I)／金／ニッケルロッドを近接させることでニッケル部位同士を結合させ、関節構造を持つマイクロモータを形成することができる。本モータを純水中で観察すると、ブラウン運動による接合部のゆらぎが観察された。このことより、この関節が可動的なものであることが分かる。さらに、紫外光照射下での過酸化水素水溶液における酸化銅(I)／金上での電気化学反応による自発駆動力と、外部磁場の印加との組み合わせにより、関節構造の可逆的な開閉運動が実現された。以上は、可動部位を持つ構造の作製法とその力学的挙動の実験的評価手段を提供するものである。これにより、高度な運動性を有するマイクロモータの構築の一つの道筋が示されるものと考えられる。

在生物体中，有各种分子机制在纳米级上进行自主运动和机械工作，支持高度复杂的生命现象。如果可以人为地构造此类设备，与天然纳米机器相当，则预计它将成为细胞和材料工程中的有用工具。尽管近年来已经努力为创建这种功能设备而做出了努力，但他们无法像在天然纳米机器中那样执行各种操作和高效的工作，在天然纳米机器中，灵活的分子结构合作起作用。尽管它被认为是将运动部件（联合样结构）纳入结构的有效策略，但遵循天然纳米机器，通常很难使用传统的微作用技术（例如光刻志学）制造此类结构，几乎没有获得任何实验性发现。因此，在这项研究中，我们提出了一种用关节结构构建微型运动的方法，实现了高度的迁移率，而不是简单的翻译运动，例如响应周围环境的变形运动。该电动机具有基本的铜（I）氧化物/金/镍微脚架的基本结构，该结构在阳极氧化多孔的氧化铝中电解。在这里，镍部分是由外部磁场预先扫描的，例如，通过使两个铜（I）氧化物/金/镍杆靠近，可以将镍部分耦合到形成具有关节结构的微型运动器。当在纯水中观察到电动机时，观察到由于布朗运动引起的关节波动。这表明关节是可移动的。此外，在紫外线光照射下由铜（I）氧化物/金在铜（I）氧化物/金上的电化学反应引起的自发驱动力的组合以及外部磁场的应用以创建关节结构的可逆开口和关闭运动。以上提供了一种用移动部分和对其机械行为的实验评估来制备结构的方法。人们认为这证明了建立高度活动能力微型运动的一种途径。