ナノモーター

ナノモーターは、エネルギーを運動に変換できる分子またはナノスケールのデバイスです。通常、ピコニュートンのオーダーの力を発生させることができます。^{[1] [2] [3] [4]}

ナノ粒子は、有名なリュクルゴスカップなど、何世紀にもわたって芸術家によって利用されてきましたが、ナノテクノロジーの科学的研究は最近まで行われていませんでした。1959年、リチャード・ファインマンは、カリフォルニア工科大学で開催されたアメリカ物理学会の会議で、 「底には十分な余地がある」と題した有名な講演を行いました。彼はさらに、どの辺も400μmより小さいモーターを設計できる人はいないという科学的な賭けをしました。^[6]この賭けの目的は（ほとんどの科学的な賭けと同様に）、科学者に新技術の開発を促し、ナノモーターを開発できた人は誰でも1,000ドルの賞金を獲得できることでした。^[6]しかし、彼の目的はウィリアム・マクレランによって阻止されました。マクレランは、新しい方法を開発することなくナノモーターを製造しました。それでも、リチャード・ファインマンのスピーチは、新世代の科学者にナノテクノロジーの研究を追求するインスピレーションを与えました。

ナノモーターは、低レイノルズ数で存在するマイクロ流体力学を克服する能力について研究の焦点となっています。スカロップ理論は、ナノモーターが低レイノルズ数で運動を生み出すには対称性を破らなければならないと説明しています。さらに、粒子と溶媒の相互作用がナノモーターの液体中を移動する能力に劇的な影響を与える可能性があるため、ブラウン運動を考慮する必要があります。これは、新しいナノモーターを設計する際に大きな問題となる可能性があります。現在のナノモーター研究では、これらの問題を克服することを目指しており、そうすることで、現在のマイクロ流体デバイスを改善したり、新しいテクノロジーを生み出したりすることができます。^{[引用が必要]}

低レイノルズ数でのマイクロ流体力学を克服するための重要な研究が行われてきました。現在、より差し迫った課題は、ナノモーターを体内での治療診断用途に使用する前に、生体適合性、方向性の制御、燃料の入手可能性などの問題を克服することです。 ^[7]

2004年、アユスマン・センとトーマス・E・マルークは、初の合成自律ナノモーターを製作した。^[8]長さ2ミクロンのナノモーターは、白金と金の2つのセグメントで構成されており、水中の希釈過酸化水素と触媒反応して動きを生み出すことができる。^[8] Au-Ptナノモーターは、化学勾配の触媒生成による推進力から生じる自律的な非ブラウン運動をする。 ^{[8] [9]}その名の通り、その動きは、外部の磁場、電場、光場を必要としない。^[10]独自の局所場を作り出すことで、これらのモーターは自己電気泳動によって動くと言われている。ジョセフ・ワンは、2008年にプラチナセグメントにカーボンナノチューブを組み込むことで、Au-Pt触媒ナノモーターの動きを劇的に向上させることができた。^[11]

2004年以降、様々なタイプのナノチューブやナノワイヤをベースにしたモーターが開発され、さらに様々な形状のナノモーターやマイクロモーターも開発されている。 ^{[12] [13] [14] [15]}これらのモーターのほとんどは燃料として過酸化水素を使用しているが、いくつかの注目すべき例外も存在する。^{[16] [17]}

これらのハロゲン化銀および銀プラチナナノモーターは、ハロゲン化物燃料で駆動し、周囲の光にさらされることで再生することができます。^[17]一部のナノモーターは、さまざまな応答で複数の刺激によって推進することさえできます。^[19]これらの多機能ナノワイヤは、適用される刺激（化学燃料や超音波パワーなど）に応じて異なる方向に移動します。^[19]たとえば、バイメタルナノモーターは、化学刺激と音響刺激の組み合わせによって、流体の流れに沿ってまたは流体に逆らって移動するレオタキシスを起こすことが示されています。^[20]ドイツのドレスデンでは、巻き上げられたマイクロチューブナノモーターが、触媒反応で気泡を利用して動きを生み出しました。^[21]静電相互作用に依存せずに、気泡誘導推進により、関連する生物学的流体内でのモーター動作が可能になりますが、通常は過酸化水素などの有毒な燃料が必要です。^[21]これにより、ナノモーターのin vitroアプリケーションが制限されています。しかし、マイクロチューブモーターの生体内応用の1つは、胃酸を燃料として使用するJoseph WangとLiangfang Zhangによって初めて説明されました。 ^[22]最近では、耐腐食性と生体適合性のために二酸化チタンもナノモーターの候補として特定されています。^[23]触媒ナノモーターの将来の研究は、細胞選別マイクロチップデバイスから指向性薬物送達に至るまで、重要な貨物牽引アプリケーションに大きな期待が寄せられています。

最近、酵素ナノモーターとマイクロポンプの開発に関する研究が増えています。レイノルズ数が低い場合、単一分子酵素は自律ナノモーターとして機能する可能性があります。^{[24] [25]} Ayusman Sen と Samudra Sengupta は、自己駆動型マイクロポンプが粒子の輸送を強化する方法を実証しました。^{[26] [27]}この概念実証システムは、酵素がナノモーターとマイクロポンプの「エンジン」としてうまく利用できることを示しています。^[28] その後、粒子自体が基質の溶液中で活性酵素分子でコーティングされている場合、拡散が速くなることが示されました。^{[29] [30]}さらに、活性酵素でコーティングされた粒子が基質の表面にさらされると、方向性のあるモーターのような動きが示されました。^[31]マイクロ流体実験では、酵素分子が基質の勾配に沿って方向性を持って泳ぐことが示されています。^{[25] [32]}また、触媒作用は酵素の方向性のある動きを実現するのに十分であることも示されています。^[33]これは、酵素を活性のみに基づいて分離する唯一の方法である。さらに、カスケード内の酵素は、基質駆動型走化性に基づく凝集も示している。^[34]酵素駆動型ナノモーターの開発は、新しい生体適合性技術と医療用途を刺激すると期待されている。^[35]しかし、これらの用途を実現するには、生体適合性や細胞浸透などのいくつかの制限を克服する必要があります。^[36] 新しい生体適合性技術の1つは、貨物の方向性送達に酵素を利用することです。^{[37] [38]}

提案されている研究分野は、生きた細胞にある分子モータータンパク質を人工デバイスに埋め込まれた分子モーターに統合することです。このようなモータータンパク質は、キネシンが細胞内の微小管の軌道に沿ってさまざまな分子を移動させるのと同様に、タンパク質ダイナミクスを介してデバイス内の「貨物」を移動させることができます。このようなモータータンパク質の動きを開始および停止するには、紫外線に敏感な分子構造にATP を閉じ込める必要があります。したがって、紫外線照射のパルスが動きのパルスを提供します。さまざまな外部トリガーに応答して DNA の 2 つの分子構造間の変化に基づく DNA ナノマシンも説明されています。

もう一つの興味深い研究の方向性は、回転磁場を使って操作できる磁性材料でコーティングされたらせん状のシリカ粒子の作成につながった。^[39]

このようなナノモーターは、推進力を得るために化学反応に依存しません。三軸ヘルムホルツコイルは、空間に方向性のある回転場を提供できます。最近の研究では、このようなナノモーターを使用して、非ニュートン流体の粘度を数ミクロンの解像度で測定できることが示されています。[ ^{40]この技術により、細胞内および細胞外環境の粘度マップを作成できるようになります。このようなナノモーターは血液中で移動することが実証されています。 [41]}最近、研究者は、このようなナノモーターを癌細胞内で制御可能に移動させ、細胞内のパターンをトレースできるようにしました。^{[5]腫瘍の微小環境を移動するナノモーターは、癌が分泌する}細胞外マトリックスにシアリン酸が存在することを実証しました。^[42]

2003年、フェニモアらは、プロトタイプの電流駆動ナノモーターの実験的実現を発表しました。^[43]これは、多層カーボンナノチューブ上に取り付けられた小さな金箔をベースにしており、カーボン層自体が動きを実行します。ナノモーターは、交流が適用される3つのゲート電極と金箔との静電相互作用によって駆動されます。数年後、他のいくつかのグループが直流駆動のさまざまなナノモーターの実験的実現を示しました。^{[44] [45]}設計は通常、走査トンネル顕微鏡（STM）を備えた金属表面に吸着した有機分子で構成されていました。STMの先端から流れる電流を使用して、分子^[45]またはその一部の方向回転を駆動します。^{[44]このようなナノモーターの動作は古典物理学に依存しており、}ブラウン運動モーターの概念に関連しています。^{[46]これらのナノモーターの例は、}分子モーターとしても知られています。

ナノモーターはサイズが小さいため、量子力学が重要な役割を果たしている。例えば、2020年にストルツらは、STMの電流で駆動される回転分子で作られたナノモーターで、古典運動から量子トンネル効果へのクロスオーバーを示した。^[47]冷却原子ベースの交流駆動量子モーターは、複数の著者によって研究されている。^{[48] [49]}

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