研究人員在奈米馬達領域取得了一項開創性的突破–DNA 折疊奈米渦輪機。這種奈米級設備代表了一種模式的轉變，它利用離子梯度或固態奈米孔的電位來驅動渦輪進行機械旋轉。這項開創性發現的核心是”DNA摺紙”渦輪機的設計、製造和驅動運動，它有三個手性葉片，全部在一個微小的25奈米框架內，在固態奈米孔中運行。透過巧妙地設計兩個手性渦輪，研究人員現在能夠決定順時針或逆時針的旋轉方向。

研究人員開發出一種DNA 折疊奈米渦輪，它具有根據離子濃度改變旋轉方向的獨特能力。這項進展為未來在細胞層面的藥物輸送提供了潛力，並強調了利用鹽梯度能量的前景。圖片來源：Cees Dekker 實驗室/SciXel

從風車到飛機，流動驅動的渦輪機是塑造我們社會的許多革命性機器的核心。甚至生命本身的基本過程也嚴重依賴渦輪機，例如為生物細胞產生燃料的FoF1-ATP 合成酶和推動細菌的細菌鞭毛馬達。

這種奈米渦輪機有一個直徑為25 奈米的轉子，由DNA 材料製成，葉片以右手或左手方向配置，以控制旋轉方向。為了運轉，這種結構要停靠在強大的水流中，水流受電場或鹽濃度差的控制，從薄膜上的奈米孔（一個微小的開口）流出。我們用渦輪機驅動一根剛性桿，每秒可轉10 圈。

DNA折疊奈米渦輪的旋轉受離子濃度的影響，為先進的藥物傳輸和利用鹽梯度獲取能量鋪平了道路。圖片來源：Cees Dekker 實驗室/SciXel

這項研究最引人入勝的發現之一是DNA摺紙奈米渦輪旋轉的獨特性。它的行為受離子濃度的影響，根據溶液中Na+ 離子的濃度，同一個渦輪可以順時針或逆時針旋轉。這一奈米級領域獨有的獨特功能是離子、水和DNA 之間錯綜複雜的相互作用的結果。

這些發現得到了伊利諾大學Aleksei Aksimentiev 小組大量分子動力學模擬和哥廷根大學MPI 研究所Ramin Golestanian 理論建模的嚴格支持，有望拓展奈米技術的視野，並提供大量應用。例如，未來我們或許可以利用DNA 摺紙製作奈米機器，將藥物傳送到人體內的特定類型細胞。

這項研究的負責人塞斯-德克爾（Cees Dekker）介紹了他們的研究方法：”我們與慕尼黑工業大學亨德里克-迪茨（Hendrik Dietz）實驗室的合作者一起，利用以前在DNA旋轉馬達的研究成果，創造出了一種可以完全控制其設計和運行的渦輪機。DNA 摺紙技術利用互補DNA 鹼基對之間的特殊相互作用來構建動態三維奈米物體。這種設計可以透過葉片的手感控制渦輪在奈米孔中的旋轉方向，並可將渦輪直接整合到其他奈米機器上。”

這項研究成果是繼去年推出DNA 主動奈米轉子之後的另一個成果，DNA 主動奈米轉子是一種能夠將電能或鹽梯度轉化為實際機械功的自配置裝置。更多資訊用DNA建構奈米級轉子。

研究人員已經揭示了利用奈米孔中的水和鹽來推動奈米級轉子的基本原理。在合理設計的推動下，今年的突破標誌著其工作進入了下一個階段，為未來的仿生跨膜機器奠定了基礎，並有可能利用鹽梯度的能量，這是生物馬達能夠使用的重要能源。