基于軌道的納米馬達的理論研究.pdf

1、沿著延展的線性軌道定向運輸分子貨物的納米馬達是近年來興起的一個研究熱點。這種基于軌道的納米馬達將實現(xiàn)高定位精度，高效率的納米運輸，具有廣闊的應用前景。目前實驗上實現(xiàn)的馬達一軌道系統(tǒng)全部是采用生物分子特別是DNA分子構造而成，并利用自然存在的生物催化劑實現(xiàn)對馬達的調控。這些DNA馬達在定向運動的機理方面處于原始的水平，依賴于特殊的生物分子，而且制備和運行操作上也有諸多限制。因而離實際應用尚遠。更先進的馬達一軌道系統(tǒng)的發(fā)展面臨兩大瓶頸性難題

2、：一是缺乏熱力學概念上有創(chuàng)新，實現(xiàn)線路明確的定向運動機理，二是缺乏適用丁多種馬達一軌道體系的調控技術。本論文的目的是發(fā)展超出已有DNA馬達的定向機理和以光吸收引發(fā)的分子結構變化為基礎的馬達調控機制，為發(fā)展原理先進，激光驅動的新一代馬達一軌道系統(tǒng)準備理論基礎。本論文主要包括以下三個方面的研究工作。 1．在仔細考慮馬達．軌道體系分子細節(jié)的基礎上，我們提出三種普遍的納米馬達工作機制。我們引入了能級圖的分析方法，具體確定了馬達工作循環(huán)中

3、的能量流路徑。并以能級圖分析為基礎發(fā)展出馬達機制的解析理論。對馬達運動的動力學模擬研究發(fā)現(xiàn)馬達的方向性，持續(xù)行走長度和速度都取決于馬達一軌道體系幾個關鍵參數(shù)的選取。更有趣的是，馬達的性能隨著軌道結合點間距的變化呈現(xiàn)出多峰多谷的震蕩型關系。我們的解析理論揭示了震蕩的分子機制，并定量的再現(xiàn)了變化曲線的峰值。這些發(fā)現(xiàn)提供了一個可靠的理論基礎，可用于定量的分析并最優(yōu)化馬達的性能，為實驗研究確定具體分子參數(shù)。馬達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的必要性，值得在未來研究中進一步探討。 2．作為上述普遍機制的一個具體實現(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。該馬達基于實驗上已經實現(xiàn)的分子穿梭機的納米機制，并以六元環(huán)生物馬達helicases佐證。當互斥的雙環(huán)都被平行鎖在軌道上時，環(huán)的平動對稱性被打破。在對稱破缺的基礎上產生了偏向性。以此為基礎，我們所建議的機制將雙環(huán)之間的距離變化調整為馬達整體沿著延展軌道的定向運動。對馬

5、達的操作被簡化為三步光致分子異構化操作。應用實際參數(shù)對馬達體系的數(shù)值模擬，進一步驗證了該馬達的工作機制。該納米馬達的一個突出優(yōu)點是它的運行將具有超乎尋常的穩(wěn)定性。一旦實現(xiàn)，它將非常適合在苛刻環(huán)境下的長程分子貨物輸運。 3．對激光驅動的納米馬達體系的熱力學性質進行了定量研究，建立了相應的單分子散熱理論。由于考慮了足夠的分子細節(jié)，通過該理論我們可以定量估計分子馬達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