只有分子大小的納米小車車怎麼開起來？

　　來源：中科院物理所

　　賽車作為一項已經有一百多年歷史的賽事，如今可以稱得上人盡皆知了。無論是我們小時候看的四驅兄弟這一類動畫片，還是玩過的賽車遊戲，亦或在電視上看到的方程式賽車，拉力賽等，『一言不合就開車』這件事情大概早就已經融入到人類的文化之中了。

　　雖然現在『開車』這件事情已經很容易讓人產生奇怪的聯想，但是我們今天還是要一本正經地來聊一聊開車這件事情。當然我們開的車不是現實的車，而是只有分子大小的納米小車車。

　　沒有時間解釋了，快上車

　　納米小車車

巧婦也難為無米之炊。

　　想要開車，你首先要有車啊。現代汽車的發明得益於熱力學和現代工業的蓬勃發展，人們可以在原理上設計出具有更高效率的發動機。我們現在語境下的汽車其實不外乎這樣兩個要求，有四個以上的輪子，自己能提供動力。暫且就先把條件定在這兩個吧。。。

　　富勒烯（Fullerene）是一種完全由碳組成的中空分子，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。富勒烯在結構上與石墨很相似，石墨是由六元環組成的石墨烯層堆積而成，而富勒烯不僅含有六元環還有五元環 [1]。圖片來自網路

　　我們就先從輪子開始說起。不瞞大家，最開始做出來的有點像車的樣子的納米小車還是為了研究富勒烯在金屬表面是怎麼運動的 [2]。富勒烯也被稱為足球烯，C60，每個分子都是由 60 個碳原子，組成五邊形或者六邊形拼成足球的樣子。一個球在表面運動其實就三種狀態，滾動，滑動，連滾帶滑。這個研究不知道怎麼陰差陽錯，就變成了現在的這個模樣。當然，最後的結果肯定是滾動，不然也就沒有後面關於納米小車的一系列事情了。

對納米小車車研究頗有心得的 Tour 大叔

　　其實講到納米小車車，我們不得不提到 Tour 大叔（James Tour），他在實驗室中合成了一堆的納米小車，前前後後一共在這上面發表了 20 多篇研究論文 [3]。說實話，這個名字和可充電鋰離子電池的發明者『足夠好』，Goodenough 教授有得一拼啊。刺激 Tour 大叔生產這麼一大堆納米小車車這個想法的最初來源可能已經很難考證了，可能 Tour 大叔人如其名，平時喜歡駕車旅行。

　　Tour 大叔最早造出來的有點車的意思的納米小車，他們在實驗時觀察到了只會原地打轉的三輪車和可以前進以及轉彎的四輪車 [4]

　　最早的車子大概長這個樣子，他們一共造出來三輪車和四輪車兩個版本。很遺憾，三輪車只能在表面不斷原地打轉，四輪車才能沿著軸向方向運動。關於納米小車的研究並沒有就此止步，什麼都擋不住他們不斷膨脹的開車的慾望。在此之上，他們又開發出了『納米卡車』，

也許他們就指望著中間那一點點小地方可以運東西了[5]以及可以玩接龍的納米火車，

圖片截取自文獻 [6]

　　還有改進版的在光的照射下更加穩定的車輪。更多小車圖片可以去 Tour 大叔主頁查看 [7]。

使用對光更穩定的碳硼烷作為車輪

　　讓車跑起來

　　其實上面提到的這些分子，也就是納米小車，其實還缺乏一些動力來源。人們在實驗中觀察到的這些分子在表面運動，其實都是因為熱的作用。因為溫度較高，分子的熱運動很劇烈，所以這些分子就動了起來。

利用分子馬達驅動的納米小車車。真的可以看到他們的輪子是在轉著前進的。

　　在 2011 年，伯納德·費林加在 Nature 上發表了一篇關於用分子馬達驅動擁有四個輪子的納米小車車的研究 [8]。『汽車』底盤前後連接著的是兩個對稱性相反的分子，在通電以後，兩個分子不斷轉動，從而帶動整個小車車前進。

　　這個故事還有一點後話，因為分子機器設計與合成方面的貢獻，他獲得了 2016 年的諾爾貝化學獎。真不愧『老司機』啊~

　　除此之外，用電流也可以驅動納米小車開動起來。有的分子在通上電流以後，可能產生正負電荷中心錯位，也就是極化，同樣能夠推動分子不斷前進。

　　獨樂樂不如眾樂樂

圖片為用掃描隧道顯微鏡驅動納米小車，圖片來自 Nanocar race 官網

　　隨著『開車』的人越來越多，獨樂樂不如眾樂樂，大家甚至開始籌划起了納米小車車競速賽。

　　其實想要玩納米小車車的門檻還挺高的，只有在極低溫（5K）和超高真空（十萬億分之一大小的標準大氣壓）環境下才完成賽道的組裝和賽車的全過程，賽事的總時長必須控制在兩天兩夜以內。而且因為儀器的限制，每個參賽者在比賽前需要自行構建一模一樣的賽道。比賽規則要求賽道『路障』之間的距離不得大於 4 nm，而且至少需要設置 5 個路障。[9]

　　真實的納米小車車賽道的模樣，上圖所示的藍白條紋襯底其實是的金在某個特定平面上切開來以後，表面的金原子會重新排布，形成這種十分有名的魚骨的樣子

　　第一屆納米小車車競賽已經在 2017 年落下帷幕，比賽過程真的可謂是跌宕起伏。比賽的組織者最開始其實只想著大概有 4 支隊伍能夠參加就不錯了，因為最終比賽用的儀器裡面一共有四個用來推動納米小車車的針尖，大家一起在同一塊金屬上同步進行操作。不過後來隨著隊伍越來越多，經過篩選，最後參與比賽的達到了 6 支，最終比賽時部分選手只能遠程遙控位於別處的實驗設備進行比賽。

　　這個比賽對於納米小車也有一定限制。小車不能太大，也不能太小，要在 100-1000 個原子之間。而且這些納米小車一定要能夠分清頭和尾。在操作過程中，不能直接用力學方法推動小車，而是需要使用量子隧穿產生的隧道電流為小車提供動力。

參與第一屆比賽的六種賽車型號

　　Tour 大叔的納米小車車自然也參與了比賽，拿下了並列第一，並創下了當時在金屬銀表面最長和最快的單分子納米小車移動記錄。在該比賽還分別給參加比賽的最大的納米小車和最美麗的納米小車分別頒發了特別獎。而來自日本小組最終獲得了『公平競爭』獎，因為軟體崩潰，他們難以復原納米小車的位置；而在好不容易又讓納米小車剛跑出 1nm，軟體第二次崩潰了……考慮到可能會影響其他選手，他們最終只能遺憾退賽。[10]

這個賽車比賽一點都不簡單

　　你也許以為這個比賽是很隨意的『日常開車』，但是這場僅有 6 個參賽隊伍的比賽的贊助商，還有標緻雪鐵龍、豐田和大眾等現實中的汽車企業。所以這波車還是開得很溜的。

　　目前大家正在積極地籌劃第二屆納米小車車競賽，預註冊階段已經有 13 支隊伍報名了該比賽，這裡面還有兩隻來自中國的隊伍。不知道你們期不期待~

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