上紐大及紐大科學(xué)家設(shè)計(jì)出世界上最小的“攀巖者”

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由金和銠（圖中紫色部分）制成的微觀桿狀馬達(dá)在溶液中游動(dòng)。當(dāng)面前出現(xiàn)斜坡時(shí)，由于密度不均衡，每個(gè)馬達(dá)會(huì)調(diào)整其方向，并像攀巖者一樣向上游動(dòng)。馬達(dá)和斜坡之間的流體力學(xué)效應(yīng)也對(duì)其向上游動(dòng)起到幫助

上海紐約大學(xué)和紐約大學(xué)的科學(xué)家們宣布發(fā)現(xiàn)了微觀馬達(dá)攀爬陡坡的新行為，他們從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面揭示了其中蘊(yùn)含的物理機(jī)制�？茖W(xué)家們將一些能夠自由移動(dòng)的微觀馬達(dá)放置于溶液中，在可以調(diào)整的固體斜面上展開一系列細(xì)致的研究。該研究成果近期發(fā)表在國際跨學(xué)科期刊《軟物質(zhì)》（Soft Matter）上。

上海紐約大學(xué)物理與數(shù)學(xué)教授張駿全面參與并總結(jié)了該項(xiàng)研究。其他合作者包括時(shí)任紐約大學(xué)庫朗研究所博士后研究員Quentin Brosseau，紐約大學(xué)化學(xué)系博士生Yang Wu、化學(xué)教授Michael Ward、數(shù)學(xué)副教授Leif Ristroph，以及庫朗研究所教授Michael Shelley。

在本項(xiàng)研究中，科學(xué)家們將長(zhǎng)約一根頭發(fā)絲寬度的1/40的微觀馬達(dá)浸入稀釋的雙氧水中，這樣一個(gè)桿狀游動(dòng)物體只有兩微米長(zhǎng)，比任何肉眼可見的沙粒都小很多�？茖W(xué)家們系統(tǒng)地觀測(cè)它們遇到不同角度斜面時(shí)的運(yùn)動(dòng)行為，并利用數(shù)學(xué)模型來模擬這些過程。微觀馬達(dá)由金和銠或者金與鉑兩種金屬合成，不同金屬的比重不同，因此每個(gè)微觀馬達(dá)內(nèi)部的密度分布也不均衡。

“這些微觀馬達(dá)的比重是周圍溶液的20倍，可是它們居然可以爬上近乎垂直的陡坡�！� 張駿教授解釋道。盡管這些馬達(dá)的質(zhì)量較大，它們的化學(xué)構(gòu)成以及它們和斜坡表面的流體力學(xué)作用仍能使它們克服重力的作用，向上移動(dòng)。

這項(xiàng)研究有助于人們更好地理解“趨（反）重力運(yùn)動(dòng) （gravitaxis）”，即響應(yīng)重力的定向運(yùn)動(dòng)。該現(xiàn)象不僅在生物世界非常重要（很多微生物需要克服重力，通過運(yùn)動(dòng)使自己保持在水的表面才能得以生存），在工程和流體力學(xué)控制方面也有廣泛的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)醫(yī)學(xué)和制藥的發(fā)展具有重要意義。它在一定程度上解釋了細(xì)菌如何在土壤中移動(dòng)，并為創(chuàng)造有效多能的藥物傳遞機(jī)制提供了新思路。

“因?yàn)槲⒂^馬達(dá)內(nèi)的密度分布不同，它們?cè)谂c重力的作用下會(huì)調(diào)整運(yùn)動(dòng)的方向。就好像蹺蹺板一樣，如果一邊重一邊輕，蹺蹺板輕的一端就會(huì)向上翹起來，” Michael Shelley教授補(bǔ)充說，“流體力學(xué)效應(yīng)會(huì)放大這種運(yùn)動(dòng)的效果，當(dāng)靠近墻邊游動(dòng)，馬達(dá)調(diào)整向上的姿態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的扭矩，這點(diǎn)很關(guān)鍵。微觀世界是嘈雜的——因?yàn)轳R達(dá)看上去總是喜歡向上移兩步、向下移一步——更大的扭矩會(huì)增大它們垂直移動(dòng)的能力，或者是向上攀爬的能力�！�

在之前發(fā)表在物理學(xué)期刊《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上的論文中，張駿教授、Michael Shelley教授及同事們?cè)O(shè)計(jì)了類似的微觀馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)了一種對(duì)抗來流、從而逆流而上的有效運(yùn)動(dòng)機(jī)制。而本項(xiàng)新研究通過揭示高密度馬達(dá)攀爬陡坡的現(xiàn)象，進(jìn)一步拓展了以往的發(fā)現(xiàn)，并賦予這些微觀馬達(dá)更多的“技能”。

“既然這些微觀馬達(dá)可以克服重力爬上陡坡，我們有理由期待讓它們完成更復(fù)雜的任務(wù)，” 張駿教授說，“跟我們研究的馬達(dá)類似，未來先進(jìn)的微顆粒也許會(huì)自己尋找目標(biāo)，通過設(shè)計(jì)來發(fā)揮特定的功能、執(zhí)行任務(wù)�！�

張駿教授檔案

張駿教授現(xiàn)任上海紐約大學(xué)和紐約大學(xué)物理學(xué)與數(shù)學(xué)聯(lián)聘教授、紐約大學(xué)全球特聘教授。自2001年以來，張教授還擔(dān)任紐約大學(xué)庫朗數(shù)學(xué)研究所應(yīng)用數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合主任。張教授在哥本哈根大學(xué)尼爾斯玻爾研究院獲得物理學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任美國物理學(xué)會(huì)會(huì)士。

研究興趣

• 流體物理學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)，包括生物力學(xué)和生物運(yùn)動(dòng)（有機(jī)體游泳、飛行和行走）

• 地質(zhì)流體（熱對(duì)流，大陸動(dòng)力學(xué)和侵蝕）

• 以動(dòng)邊界或柔性邊界為主的流固耦合問題

• 不同長(zhǎng)度和時(shí)間尺度的自組織現(xiàn)象

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推 / 薦 / 閱 / 讀

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