CC BY
33
УДК 621.4.001; 621.4.001.57
КОМБИНИРОВАННЫЙ НАНОДВИГАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ КИНЕЗИНА
ВАХРУШЕВ А.В., ЛИПАНОВ А.М., ШЕСТАКОВ И.А.
Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ. Выполнено проектирование комбинированного нанодвигателя, сформированного на базе кинезина. Определены его основные энергетические и массово-габаритные параметры. Проведен анализ энергетических возможностей разработанного нанодвигателя в сравнении с характеристиками различных типов существующих нанодвигателей.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: нанодвигатель, кинезин, микротрубочка, наномашина. ВВЕДЕНИЕ
Нанодвигатели играют главную роль в перемещении наномашин и наномеханизмов, поэтому их создание и исследование является одной из главных задач нанотехнологии. Предполагается, что нанодвигатели будут применяться в наномашинах и наномеханизмах: летательные аппараты, транспортные машины на поверхности твердого тела, транспортные машины в жидкости - наноразмерные подводные лодки, конвейеры, генераторы электрического тока, инжекторы, насосы, переключатели.
Ведущие научно-исследовательские институты проводят работы по созданию нанодвигателей различных типов и конструкций, многообразие которых объясняется поиском принципов действия, разработкой новых конструкций и оптимизацией параметров. В настоящий момент разработаны различные типы нанодвигателей: нанодвигатель с фотонным питанием - ротаксан [1 - 3]; нанодвигатель на основе жидких капель металла индия - «наноэлектромеханический осциллятор релаксации, приводимый силами поверхностного натяжения» [4]; наноэлектродвигатель на поверхности микрочипа [5]; нанодвигатель с использованием бактерий, сочетающий в себе элементы живой (бактерии, способные передвигаться в жидкости) и неживой (ротор диаметром 20 микрометров в виде шестеренки, изготовленный из двуокиси кремния) природы [6].
Отметим, что биологические нанодвигатели имеют наиболее выгодное сочетание удельной мощности и схемы управления, но установить их непосредственно в наномашину очень сложно, так как движущиеся элементы имеют нестабильную связь с приводом. Необходимо предварительно интегрировать биологические нанодвигатели в комбинированные. Комбинированный нанодвигатель представляет собой систему из биологических нанодвигателей, закрепленных на синтетических конструкциях и преобразующих химическую энергию топлива, как правило, это АТФ -аденозинтрифосфорная кислота, в механическую энергию движения биологических нанодвигателей и соединенных с ними синтетических конструкций.
Целью настоящей работы являлось проектирование комбинированного нанодвигателя, сформированного на базе кинезина и выполнение анализа энергетических возможностей разработанного нанодвигателя в сравнении с характеристиками различных типов существующих нанодвигателей.
СХЕМА КОМБИНИРОВАННОГО НАНОДВИГИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ КИНЕЗИНА
Кинезин - представитель класса линейных биологических нанодвигателей [7]. Совместно с микротрубочками он осуществляет перенос веществ внутри клетки. Один конец этой молекулы прикрепляется к «грузу», который необходимо транспортировать, а другой -
к микротрубочке, которая направляет движение. Длина молекулы - 50 нанометров. Молекулы кинезина выполняют работу во всех растениях и животных, используя в качестве топлива АТФ.
Ученые из института им. Макса Планка заставили работать кинезин вне клетки [8, 9]: они покрыли молекулами кинезина гладкую стеклянную поверхность, разместили на этой поверхности ряд микротрубочек и добавили к среде раствор АТФ. Закрепленные молекулы кинезина стали линейно перемещать микротрубочки.
Сила, развиваемая одной молекулой кинезина, составляет 6 пН. Коэффициент полезного действия - 50%. Передвижение кинезина происходит в дискретной форме -разложение одной молекулы АТФ соответствует одному шагу кинезина на 8 нанометров вдоль микротрубочки. В процессе перемещения молекула кинезина способна расщепить за одну секунду до 100 молекул АТФ. Молекула АТФ содержит две фосфатные связи, при гидролизе которых высвобождается значительное количество свободной энергии:
АТФ + Н20 ^ АДФ + Н2Р04 + 40 кДж/моль,
где АТФ - аденозинтрифосфорная кислота, АДФ - аденозиндифосфорная кислота.
Проектирование комбинированного нанодвигателя с использованием кинезинов осуществляется методом преобразования поступательного движения биологических нанодвигателей во вращательное движение ротора. При этом кинезины в конструкции нанодвигателя жестко закреплены на статоре, а микротрубочки - на роторе. Основной проблемой при проектировании является интеграция биологических элементов в синтетическую конструкцию с целью получения комбинированного нанодвигателя. Кинезины необходимо закрепить на статоре, а микротрубочку на роторе. В качестве материала ротора и статора выбран однородный алмаз. В первом приближении размеры деталей комбинированного нанодвигателя получены при его конструктивной проработке, с учетом размеров кинезина и микротрубочки. По окружности статора расположено 12 кинезинов. Суммарная длина микротрубочек по окружности составляет 1600 нм, при этом частота вращения ротора равна п=30мин-1.
Рассмотрим комбинированный нанодвигатель, его устройство и работу [10].
Комбинированный нанодвигатель (на рис. 1 показан поперечный и продольный разрез двигателя) содержит корпус 1, в котором закреплен статор 2 - цилиндр, закрытый с двух сторон полусферическими оболочками 3 и 4, имеющий отверстия 5 в стенке для выхода аденозинтрифосфорной кислоты - АТФ. На наружной поверхности статора 2, вблизи отверстий 5, закреплены кинезины 6. Внутри статора 2 с возможностью вращения закреплен золотник 7 с отверстиями 8, которые соответствуют отверстиям 5 в стенке статора 2, обеспечивающий при поворотах вокруг продольной оси открытие и закрытие отверстий 5 для выхода АТФ. Статор 2 имеет буртики 9 для удержания АТФ вблизи кинезинов 6. Золотник 7 связан с приводом 10 пьезомеханизма 11, обеспечивающего поворот золотника. В золотник вставлен трубопровод 12 для подачи АТФ. Трубопровод 12 через гибкий трубопровод 13 и далее через регулятор давления и концентрации АТФ 14 связан с резервуаром для АТФ 15. В пазу 16 на внутренней поверхности ротора 17 закреплены микротрубочки 18, состоящие из мономерных глобул 19 - а, Р-тубулин, взаимодействующие с кинезинами 6. На внешней поверхности ротора 17 закреплена шестерня 20. Пьезомеханизм 11 закреплен на опоре 21, резервуар для АТФ 15 закреплен на опоре 22, корпус 1 закреплен на опоре 23. Опоры 21, 22, 23 установлены на основании 24. Габаритные размеры комбинированного нанодвигателя: высота - 2000 нм, длина - 2000 нм, ширина - 1000 нм.
Нанодвигатель работает следующим образом. При пуске полость золотника 7 через трубопровод 12 заполняется АТФ, создается избыточное давление. В необходимый момент пьезомеханизм 11 через привод 10 поворачивает золотник 7 на угол, соответствующий соосности отверстий 5 и 8. АТФ заполняет пространство между буртиками 9 и подходит к кинезинам.
Рис. 1. Комбинированный нанодвигатель: 1 - корпус, 2 - статор, 3, 4 - полусферическая оболочка, 5 - отверстие в статоре, 6 - кинезин, 7 - золотник, 8 - отверстие в золотнике, 9 - буртик, 10 - привод, 11 - пьезомеханизм, 12 - трубопровод для подачи АТФ, 13 - гибкий трубопровод, 14 - регулятор давления и концентрации АТФ, 15 - резервуар для АТФ, 16 - паз, 17 - ротор, 18 - микротрубочка, 19 - а, р-тубулин, 20 - шестерня, 21, 22, 23 - опора, 24 - основание.
Кинезины используют АТФ в качестве топлива и перемещают по окружности мономерные глобулы 19 - а-тубулин и Р-тубулин, из которых состоят микротрубочки 18. За один «шаг» кинезин 6 перемещает мономерную глобулу 19 на 8 нм.
Вращающий момент отводится от шестерни 20, закрепленной непосредственно на роторе 17. Изменение частоты вращения ротора 17 осуществляется регулированием подачи АТФ с помощью регулятора давления и концентрации АТФ 14. Остановка двигателя происходит при выключении регулятора давления и концентрации АТФ 14 и последующем повороте золотника 7, который перекрывает отверстия 5 подачи АТФ к кинезинам 6. Охлаждение комбинированного нанодвигателя осуществляется посредством отвода теплоты вместе с отработавшими продуктами. Отработавшие продукты вытесняются из пространства между двумя буртиками 9 вновь поступающим количеством АТФ.
Удельная мощность данной конструкции комбинированного нанодвигателя составляет 0,43 Вт/кг. Это связано, прежде всего, с большой массой деталей молекулярного двигателя для данной конструкции.
Для получения более высокого значения удельной мощности необходимо использовать в конструкции комбинированного нанодвигателя материал с меньшей плотностью и большей прочностью. Наиболее соответствующий материал - углеродные нанотрубки. Здесь ротор и статор изготовлены из углеродных нанотрубок в виде жгута (рис. 2) [11]. Удельная мощность составила 500 Вт/кг. Комбинированный нанодвигатель для повышения мощности выполнен многосекционным (рис. 3). Габаритные размеры: высота -800 нм, длина - 800 нм, ширина - 800 нм.
Рис. 2. Перемещение кинезинами микротрубочки, закрепленной на роторе, относительно статора: Fкин - сила кинезина, ^ктр - распределенная нагрузка взаимодействия микротрубочки на ротор,
выполненный из углеродной нанотрубки
Рис. 3. Комбинированный нанодвигатель (многосекционный), имеющий в качестве материала ротора и
статора углеродные нанотрубки
Рис. 4. График зависимости мощности р (Вт) от Рис. 5. График зависимости расхода топлива п (об/мин) и числа секций N Rк(1/мин) от п (об/мин) и числа секций N
Зависимость мощности комбинированного нанодвигателя Р (Вт) от числа оборотов п (об/мин) и числа секций нанодвигателя N приведена на рис.4. Из графика видно, что при неизменном одном параметре мощность увеличивается линейно, а при одновременном увеличении числа оборотов и секций нанодвигателя - нелинейно. Максимальная мощность достигается при 30 об/мин и десяти секциях Р=1,72х10-15 Вт.
Зависимость расхода числа молекул АТФ в минуту RK от указанных параметров представлена на рис. 5. Форма графика схожа с формой графика мощности. При максимальной мощности расходуется №2,2х106 молекул АТФ в минуту.
СРАВНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ НАНОДВИГИТЕЛЕЙ
Рассмотрим основные технические характеристики разработанного комбинированного нанодвигателя: удельная мощность, число оборотов в минуту и коэффициент полезного действия - в сравнении с характеристиками разных типов нанодвигателей.
Удельная мощность (рис. 6, а) является одним из главных показателей совершенства
двигателя, так как она определяет отношение мощности двигателя к его массе. Наибольшей
удельной мощностью из синтетических нанодвигателей обладает наноэлектромеханический
осциллятор релаксации благодаря эффекту поверхностного натяжения. На втором месте по
удельной мощности находится нанодвигатель с фотонным питанием со значением удельной 8
мощности 108 Вт/кг.
Далее следуют биологические нанодвигатели (кинезин, миозин) со значениями удельной мощности порядка 106 Вт/кг. Удельная мощность комбинированного нанодвигателя составляет 500 Вт/кг и выше, в зависимости от конструкции ротора и статора, изготовленных из углеродных нанотрубок.
Важным параметром любого двигателя является цикличность работы (рис. 6, б). Максимальное значение этого параметра во многих случаях определяет возможность использования нанодвигателя. Например, в микро-конвейерах будет рациональнее использовать нанодвигатели с минимальной цикличностью работы. Летательные микромашины, напротив, потребуют нанодвигатели с высокой частотой оборотов ротора. Выбор нанодвигателя по цикличности работы в нано масштабе значительно сложнее, чем в микро и макро, так как изготовление редуктора потребует значительно больших усилий. Максимальная частота работы наноэлектромеханического осциллятора релаксации составляет 106 Гц. Данный двигатель можно использовать в электрических наномашинах и микромашинах. Однако аккумуляторные батареи при столь высокой удельной мощности будут очень быстро разряжаться. В этом случае нано- и микромашины будут способны работать непродолжительное время. Гораздо выгоднее сложится ситуация при использовании данного нанодвигателя в наномашинах, питающихся от электрических проводников, расположенных вдоль траектории движения (параллельно траектории движения). При этом можно использовать и простейший электрический нанодвигатель, первый вариант которого был изготовлен и установлен на микрочипе.
Частота работы комбинированного нанодвигателя с использованием кинезина и микротрубочки составляет 30 об/мин, такое невысокое значение связано с принципом преобразования поступательного движения кинезинов во вращательное микротрубочек. Сам кинезин работает с частотой 100 Гц, делая шаги по 8 нм за 0,01 с.
Комбинированный нанодвигатель с использованием миозина и актина также имеет в своем запасе 30 об/мин, что позволяет использовать его в качестве привода для наномашин и микромашин. Комбинированный нанодвигатель с использованием бактерий имеет частоту 2 об/мин, он вполне подходит для микро-конвейера, тем более что этот комбинированный нанодвигатель уже создан.
Нанодвигатель с фотонным питанием (ротаксан) работает при частоте 1000 Гц. Этот нанодвигатель может приводить в действие летательные аппараты и наномашины при осуществлении стабильного отбора механической энергии, который сложно осуществить, так как элементом, совершающим возвратно-поступательные движения, является кольцо диаметром всего 1,5 нм.
Коэффициент полезного действия (рис. 6, в) определяет экономичность использования энергии, что крайне важно при запасе топлива в автономной наномашине.
12
10
-
а 8
н
со 6
=
< о 4
2
0
100
80
о4 60
ч
в 40
и
20
0
в )
Рис. 6. Технические характеристики нанодвигателей: а) удельная мощность, б) частота работы, в) коэффициент полезного действия. 1 - наноэлектромеханический осциллятор релаксации, 2 - нанодвигатель с фотонным питанием, 3 - кинезин, 4 - миозин, 5 - комбинированный нанодвигатель на основе кинезина, 6 - наноэлектродвигатель, 7 - пьезодвигатель.
Токсичность работы нанодвигателя во многом определяет пределы его использования. Так, большинство биологических нанодвигателей использует в качестве топлива аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), а отработавшими продуктами являются АДФ - ЩфРг^СшОс! и фосфата ^ - Н2Р04, следовательно, в случае отрицательного воздействия на внешнюю среду АДФ и Н2Р04, необходимо предусмотреть их отвод на безопасное расстояние, либо осуществить нейтрализацию. Однако отрицательное воздействие возможно в редких случаях, так как данные биологические нанодвигатели работают во всех живых организмах. Кроме химического воздействия на внешнюю среду, неизбежно физическое - при работе биологического нанодвигателя выделяется относительно большое количество теплоты (50% от химической энергии АТФ).
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
Иначе сложилась ситуация с электрическими нанодвигателями. Они работают от приложенного электромагнитного поля или разности потенциалов. Сам механизм преобразования электрической энергии в механическую экологически чист, если не учитывать потери 10-20% в виде тепловой энергии. Основной проблемой здесь является аккумулятор электрической энергии или управляющие электрические проводники. Лккумулятор имеет ограниченный срок службы, кроме того, в его конструкцию входят активные элементы, агрессивно воздействующие на внешнюю среду при разрушении оболочки аккумулятора. ^достатком также является большая масса и размеры аккумулятора, что значительно снижает удельную мощность и увеличивает габариты системы аккумулятор-нанодвигатель. Кроме того, необходима периодическая замена, либо зарядка аккумулятора. Использование управляющих электрических проводников решает эти проблемы, но оно возможно при следующих условиях: безопасность физического контакта с внешней средой, высокий коэффициент запаса прочности.
^просто сложилась ситуация со свето-управляемыми нанодвигателями. Световой поток, благодаря которому работает нанодвигатель, не должен агрессивно воздействовать на внешнюю среду - возможно как химическое воздействие, так и физическое (повышение температуры в зоне светового луча). Однако данный вид управления и подачи энергии возможен только в прозрачной или полупрозрачной среде.
ВЫВОДЫ
Проведена конструктивная проработка различных вариантов комбинированного нанодвигателя с использованием биологических нанодвигателей - кинезинов и микротрубочек. Показано, что удельная мощность может достигать значений 1 кВт/кг и более. Проведено сравнение технических характеристик различных видов нанодвигателей, при этом показано, что комбинированные нанодвигатели на основе кинезина обладают рядом достоинств: работа на биологическом топливе, возможность автономной работы, высокая удельная мощность, низкая токсичность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Perez E.M., Driden D.T., Leigh D.A., Teobaldi G., Zerbetto F.A. generic basis for some simple light-operated mechanical molecular machines // J. Am. Chem. Soc. 2004. №126. P. 12210-12211.
2. Brouwer A.M. et al. Photoinduction of fast, reversible translational motion in a hydrogen- bonded molecular shuttle // Science. USA. 2001. №291. P. 2124-212В.
3. Kay E.R., Leigh D.A. Photochemistry: lighting up nanomachines // Nature. 2006. № 440. P. 2В6-2В7.
4. Dume B. New look for nanomotors // Physics Web. Appl. Phys. Lett. 2005. №В6. P. 123119.
5. Зеттл A. Aмериканские ученые создали самый маленький в мире мотор. http://palm.newsru.com/world/29ju/ 2003/mini.html.
6. Liz Kalaugher. Bacteria make the rotor go round. http://nanotechweb.org/articles/news/5/9/1/1.
7. Tихонов A. H. Молекулярные моторы, ИР, 2001. www.nature.ru.
В. Hess H., Clemmens J., Qin D., Howard J., Vogel V. Light-controlled molecular shuttles made from motor proteins carrying cargo on engineered surfaces // Nano Letters. 2001. №1. P. 235 - 239.
9. Hess H., Vogel V., Molecular shuttles based on motor proteins: active transport in synthetic environments // Rev. Mol. Biotechnol. 2001. №В2. P. 67-В5.
10. Шестаков ИА., Вахрушев A3. Молекулярный двигатель // Патент России № 2276744. 2004. Бюл. № 14.
11. Шестаков ИА., Вахрушев A3. Молекулярный двигатель // Патент России № 2312250. 2005. Бюл. № 34.
12. Вахрушев A3, Липанов AM., Шестаков ИА Шнонасосная система // Патент России № 2304001. 2005. Бюл. 22.
SUMMARY. The theoretical analysis of power characteristics of various kinds nanomotors is lead. Research and optimization of the molecular engine having in the design biological nanomotor - kinesin are carried out. The energetic possibilities of nanomotor was analyzed in comparison with different types characteristics of existing nanomotors.
