追逐光明的納米機器

掃描電子顯微鏡下的雅努斯樹「森林」。（南方周末資料圖/圖）

香港大學的科學家研發出了世界上第一款自動化的趨光納米機器，這種機器無需任何幫助就能夠在液體環境中游向有光的區域。由於其具有尺度小和自動化的特點，這種納米機器未來有望在很多領域取得應用。醫生有可能能夠將藥物引導到常規方法難以到達的組織和器官深處，大大提高藥物的治療效果。

從生命誕生的那一天起，追求光明的活動就從不鮮見。最常見的例子是一些藻類，這些微生物的趨光性使它們能更多地捕獲光，使它們有利於完成生存所必需的光合作用。長期以來，科學家對這種趨光性一直都抱有著濃厚的興趣。隨著材料科學和納米技術的飛速發展，很多科學家都看到了這種趨光性潛在的應用前景，因此一直在嘗試設計製造具有趨光性的微觀機器。

香港大學的科學家最近在這方面取得了重大的研究進展，研發出了世界上第一款自動化的趨光納米機器，這種機器無需任何幫助就能夠在液體環境中游向有光的區域。由於其具有尺度小和自動化的特點，這種納米機器未來有望在很多領域取得應用。這項研究最近發表在了國際頂級科學期刊《自然納米技術》雜誌上。

納米級的「雅努斯樹」

領導這項研究的是香港大學化學系的材料科學家唐晉堯。他實驗室的科學家主要使用了兩種半導體材料來製造這種納米尺度的趨光機器（製造這種趨光機器實際上用了不止兩種材料。但其它材料用量很少，涉及的原理也較複雜，本文不贅述）：硅和二氧化鈦。這種納米趨光機器的外觀很特別，非常像一棵樹。整個機器包括「樹榦」和「樹冠」兩部分。其中構成「樹榦」的是硅材料，而「樹冠」則是由一根根的二氧化鈦納米線集中在「樹榦」的一端組成的。由於整棵樹的兩端由兩種不同的材料構成，因此科學家們把這種「樹」稱作「雅努斯納米樹」（Janus Nanotrees）。其中的「雅努斯」這個詞貼切地借用了古羅馬神話中羅馬人的保護神雅努斯的名字，因為在羅馬神話中雅努斯被刻畫為擁有背靠背的兩張面孔。

在製造這種雅努斯樹時，科學家首先通過蝕刻反應在一張矽片上刻出一根根聳立的「樹榦」，隨後會把少量的二氧化鈦作為「種子」「點」到硅「樹榦」的一端，並通過特定的反應讓構成「樹冠」的二氧化鈦納米線一點點地從「樹榦」上「長」出來，並且越「長」越長。通過這種方法，科學家就能得到由大量的雅努斯樹構成的納米「森林」。這些雅努斯樹的直徑大約為2.6微米（1微米等於0.001毫米），長度大約為11微米。科學家隨後會使用很薄的刀片在這座森林中進行「伐木」，「砍」倒一棵棵雅努斯樹用作實驗研究。

以光為動力

科學家之所以選用硅和二氧化鈦這兩種材料，是因為兩者都具有光活性。在進行實驗的時候，科學家們會把雅努斯納米樹加入到雙氧水（或其它一些支持光電化學反應的液體，下文同）中，當用光（受兩種材料特性的限制，科學家目前使用的是紫外光）照射這些雅努斯樹的時候，在「樹榦」和「樹冠」附近都會發生光電化學反應。其中「樹冠」上的二氧化鈦會捕獲雙氧水中的電子，從而在「樹冠」的周圍產生氧氣和帶正電荷的氫離子（質子），而在「樹榦」上的硅則會給自己周圍的雙氧水提供電子，從而在其周圍產生帶負電的氫氧根離子。通過這種光電化學反應，在雅努斯樹周圍的微環境中，電荷出現了不均勻的分布：「樹冠」一端周圍帶正電荷，而「樹根」一端的周圍帶負電荷。這種電荷的不均勻分布使這些雅努斯樹所在的微環境中形成了一個微小的電場，方向始終與「樹榦」平行，從「樹冠」指向「樹根」。

這種光電化學反應不僅在這些雅努斯樹周圍產生了一個微小的電場，而且還使這些雅努斯樹自己也獲得了正的Zeta電位（Zeta Potential）。用通俗的語言來講，雅努斯樹擁有正的Zeta電位是指如果把每棵雅努斯樹和液體環境中與其最貼近的一層離子看作一個整體，那麼這個整體帶上了正電荷。之所以把它們看作一個整體，是因為由於兩者距離非常貼近，因此彼此的相互作用很強，當雅努斯樹在這樣的液體環境中「遊動」時，這一層最貼近的離子總是被與雅努斯樹「粘連」在一起的，隨著雅努斯樹一起移動。

在這個微小的電場環境里，由於這些雅努斯樹（以及與其「粘連」在一起的最近的一層離子）帶有正電荷，因此只要在有光照的情況下，理論上來說這些雅努斯樹就可以在這一液體環境中沿著電場的方向「遊動」（因為帶正電荷的粒子在電場的作用下會沿著電場的方向運動）。無需再提供額外的動力。

不到一小時的時間，雅努斯樹的群體就能表現出宏觀層面的趨光性（正的或是負的）。第一行，有正的趨光性的纖細裸藻；第二行，趨光的雅努斯樹；第三行，經過改造之後「怕光」的雅努斯樹。（南方周末資料圖/圖）

追求光明的泳者

當科學家把製備好的雅努斯樹加入雙氧水中後，如果不提供光照，這些雅努斯樹由於尺度非常小，因此會做無規則的布朗運動。可是當為它們提供光照時，科學家發現這些雅努斯樹就會沿著一定的軌跡做規則的運動。不僅如此，如果把每一棵雅努斯樹想像成一艘船的話，科學家還發現「樹根」總是「船頭」，「樹冠」總是「船尾」：如果從某一個方向提供光照，原本方向各異的雅努斯樹會自動的調整方向，直到「樹根」一側指向光源為止。隨後這些雅努斯樹會向光源的方向「游」去。如果這時科學家關掉光源，然後開啟一個另一方向的光源，這些雅努斯樹會立即調頭，很聽話的向這個新開啟的光源「游」去。毫不誇張的說，它們是追求光明的泳者。

這些雅努斯樹之所以會追求光明，玄機在二氧化鈦的「樹冠」上。由於「樹冠」上的二氧化鈦納米線「枝葉」稠密，所以當光從一側照向雅努斯樹的時候，「樹冠」兩側捕獲到的光的量各不相同。這導致「樹冠」兩側所發生的光電化學反應的強度也有所不同，進而使「樹冠」兩側產生了不同的氫離子濃度。除了從「樹冠」指向「樹根」的電場以外，這種「樹冠」兩側氫離子的分布不均使垂直於雅努斯樹的方向上也產生了一個電場，方向從向光的一側指向背光的一側。由於「樹冠」的Zeta電位呈正值（「樹冠」部分以及與其「粘連」在一起的離子作為整體帶正電），所以「樹冠」會被這個垂直於雅努斯樹方向的電場「推」遠，而這會導致雅努斯樹發生旋轉，直到「樹根」指向光源，也就是「樹冠」兩側接受到相同的光照時為止。「樹冠」，像一艘船的舵，在掌控著雅努斯樹「遊動」的方向，追求光明的方向。

正是因為「樹冠」的這種特點，科學家得以通過改變光照方向的方式來隨意操控雅努斯樹的「遊動」方向，即使「遊動」的軌跡比較複雜也不成問題：他們成功地操控雅努斯樹游出了英語單詞「Nano」（納米）。

從趨光到「怕光」

自然界中不僅存在著具有趨光性的生物，同樣也存在「怕光」，或者說趨光性為負的生物。既然用硅和二氧化鈦製造出了趨光的雅努斯樹，那麼是否也能製造出具有負趨光性的雅努斯樹呢？

決定雅努斯樹趨光性的因素有兩個。一個是二氧化鈦「樹冠」的Zeta電位是正值還是負值，這會影響到雅努斯樹在發生旋轉時的運動方向，從而決定最後「樹冠」是處於靠近光源的一側還是遠離光源的一側。如果「樹冠」的Zeta電位是正值，那麼在旋轉時「樹冠」會被「推」遠，最後會處於遠離光源的一側；如果「樹冠」的Zeta電位是負值，那麼在旋轉時「樹冠」會被「拉」向光源，最後會處於靠近光源的一側。決定雅努斯樹是趨光還是「怕光」的另一個因素則是整個雅努斯樹的Zeta電位是正值還是負值，這會決定調整好方向之後雅努斯樹會向那個方向移動，如果整棵雅努斯樹的Zeta電位呈正值，那麼它會沿著「樹冠」向「樹根」的方向「遊動」，因為雅努斯樹的光電化學反應在微環境中產生的電場是這個方向的。如果整棵雅努斯樹的Zeta電位呈負值，那麼它就會沿著「樹根」向「樹冠」的方向「遊動」（因為帶負電荷的粒子在電場的作用下會逆著電場的方向運動）。

根據這樣的原則，通過對最初版本的雅努斯樹進行改造，科學家也成功地製造出了趨光性為負，或者說「怕光」的雅努斯樹。利用特定的化學反應，科學家在最初版本的雅努斯樹的「樹根」上添加了苯磺酸分子，從而使整個雅努斯樹的Zeta電位從正值變為了負值。當用光照射這種改造過的雅努斯樹時，由於「樹冠」部分的Zeta電位仍然是正值，所以這種雅努斯樹在調整好方向之後，「樹冠」仍然是位於遠離光源一側的，但是由於整棵雅努斯樹的Zeta電位為負值，所以它會逆著電場的方向「遊動」，「游」向遠方。

除了製造出「怕光」的雅努斯樹之外，科學家還製造出了「遊動」時「樹冠」在前，「樹根」在後，但是趨光的雅努斯樹。這種雅努斯樹也是在最初版本的雅努斯樹的基礎上改造而來的。通過特定的化學反應，科學家在「樹冠」上添加了大量的帶負電荷的鉑納米顆粒。這種處理使「樹冠」部分的Zeta電位和整棵樹的Zeta電位都呈負值。與最初版本的雅努斯樹不同，在有光照的情況下，這種雅努斯樹的「樹冠」會處於靠近光源一側，但整棵樹還是會追求光明。

科學家並不只是對單棵樹的趨光性進行了檢測。他們還對由大量雅努斯樹組成的群落的趨光性進行了檢測。在把大量的雅努斯樹加入一個盛有雙氧水的小皿中，並從一側提供光照的情況下，無論是最初版本的雅努斯樹還是經過改造「怕光」的雅努斯樹，都能在不到一小時的時間裡在宏觀尺度上表現出各自的趨光性，前者趨光，後者「怕光」。

未來之路

這樣一種尺度微觀並且無需額外動力的趨光機器毫無疑問有著廣闊的應用前景，在醫學領域尤其如此。科學家有望在未來使用這種雅努斯樹作為運載工具來搭載藥物，然後利用光將其引導到指定的位置。這不僅能夠大大地提高藥物的局部濃度，從而提高治療效果，還有可能會減少藥物的副作用。隨著材料科學以及光遺傳學等領域的發展和需求，供光的方式近年來也有了長足的進步，現在科學家甚至能夠用微觀尺度的光源來進行供光（舉個例子，美國科學家在2013年就曾研發出長寬只有幾十微米，厚度不足十微米的光源）。將這種雅努斯樹與微觀尺度的光源相結合，醫生在未來有可能能夠將藥物引導到常規方法難以到達的組織和器官深處，大大的提高藥物的治療效果。

儘管應用前景廣闊，但是目前這種雅努斯樹仍然還有很多地方需要優化和改進。一方面這些雅努斯樹目前只能用紫外光來引導，而紫外光對人體是有害的，因此科學家需要在未來想辦法讓它們對其它波長的光也能表現出趨光性，一個可行的策略是利用相同的原理，使用其它材料來製造擁有趨光性的雅努斯樹。另一方面，雙氧水是有毒性的，科學家需要在未來尋找到更加合適的液體環境。雖然距離實際應用還有很長的一段路要走，但是隨著新材料和新技術的不斷湧現，相信我們距離這些微觀的趨光機器取得實際應用的那一天並不會太遙遠。

TAG:南方周末 |

※火星神崇拜：對光明和熱量的追逐
※追逐黃昏
※溫格不跟了！阿森納放棄引進最火妖星 全力加速追逐拉卡澤特
※追逐溫暖的夏候鳥
※讓雙子座追逐夢想的動力
※「私奔」的節奏？艾米·羅森中門大開與西裝男上演紅毯追逐戲碼！
※機密：「夸父追日」追逐的不是太陽 竟然是
※从古之今的权力追逐
※保羅加盟馬刺不太現實 可全力追逐羅斯搭檔帕克
※讓獅子座追逐夢想的動力
※火箭迎來追求保羅最佳時機，哈登或迎來最佳幫手追逐總冠軍
※追逐莫斯科地鐵之光
※若無法簽下馬赫雷斯，羅馬將全力追逐蘇索
※轉會風向標：利物浦追逐凱塔
※天津權健再度追逐葡超射手王多斯特
※追逐飛機的腳步不停息，近距離拍攝飛行中的戰鬥機
※鏡報：熱刺拒絕賣掉戴爾，曼聯放棄對球員的追逐
※让杨幂、李小璐、宋茜都追逐，它到底有什么魔力？
※命運總是更加青睞執著追逐光明的孩子