只有分子大小的纳米小车车怎么开起来？

来源：中科院物理所

赛车作为一项已经有一百多年历史的赛事，如今可以称得上人尽皆知了。无论是我们小时候看的四驱兄弟这一类动画片，还是玩过的赛车游戏，亦或在电视上看到的方程式赛车，拉力赛等，‘一言不合就开车’这件事情大概早就已经融入到人类的文化之中了。

虽然现在‘开车’这件事情已经很容易让人产生奇怪的联想，但是我们今天还是要一本正经地来聊一聊开车这件事情。当然我们开的车不是现实的车，而是只有分子大小的纳米小车车。

没有时间解释了，快上车

纳米小车车

巧妇也难为无米之炊。

想要开车，你首先要有车啊。现代汽车的发明得益于热力学和现代工业的蓬勃发展，人们可以在原理上设计出具有更高效率的发动机。我们现在语境下的汽车其实不外乎这样两个要求，有四个以上的轮子，自己能提供动力。暂且就先把条件定在这两个吧。。。

富勒烯（Fullerene）是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。富勒烯在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环还有五元环 [1]。图片来自网络

我们就先从轮子开始说起。不瞒大家，最开始做出来的有点像车的样子的纳米小车还是为了研究富勒烯在金属表面是怎么运动的[2]。富勒烯也被称为足球烯，C60，每个分子都是由 60 个碳原子，组成五边形或者六边形拼成足球的样子。一个球在表面运动其实就三种状态，滚动，滑动，连滚带滑。这个研究不知道怎么阴差阳错，就变成了现在的这个模样。当然，最后的结果肯定是滚动，不然也就没有后面关于纳米小车的一系列事情了。

对纳米小车车研究颇有心得的 Tour 大叔

其实讲到纳米小车车，我们不得不提到 Tour 大叔（James Tour），他在实验室中合成了一堆的纳米小车，前前后后一共在这上面发表了 20 多篇研究论文 [3]。说实话，这个名字和可充电锂离子电池的发明者‘足够好’，Goodenough 教授有得一拼啊。刺激 Tour 大叔生产这么一大堆纳米小车车这个想法的最初来源可能已经很难考证了，可能 Tour 大叔人如其名，平时喜欢驾车旅行。

Tour 大叔最早造出来的有点车的意思的纳米小车，他们在实验时观察到了只会原地打转的三轮车和可以前进以及转弯的四轮车 [4]

最早的车子大概长这个样子，他们一共造出来三轮车和四轮车两个版本。很遗憾，三轮车只能在表面不断原地打转，四轮车才能沿着轴向方向运动。关于纳米小车的研究并没有就此止步，什么都挡不住他们不断膨胀的开车的欲望。在此之上，他们又开发出了‘纳米卡车’，

也许他们就指望着中间那一点点小地方可以运东西了[5]以及可以玩接龙的纳米火车，

图片截取自文献 [6]

还有改进版的在光的照射下更加稳定的车轮。更多小车图片可以去 Tour 大叔主页查看 [7]。

使用对光更稳定的碳硼烷作为车轮

让车跑起来

其实上面提到的这些分子，也就是纳米小车，其实还缺乏一些动力来源。人们在实验中观察到的这些分子在表面运动，其实都是因为热的作用。因为温度较高，分子的热运动很剧烈，所以这些分子就动了起来。

利用分子马达驱动的纳米小车车。真的可以看到他们的轮子是在转着前进的。

在 2011 年，伯纳德·费林加在 Nature 上发表了一篇关于用分子马达驱动拥有四个轮子的纳米小车车的研究 [8]。‘汽车’底盘前后连接着的是两个对称性相反的分子，在通电以后，两个分子不断转动，从而带动整个小车车前进。

这个故事还有一点后话，因为分子机器设计与合成方面的贡献，他获得了 2016 年的诺尔贝化学奖。真不愧‘老司机’啊~

除此之外，用电流也可以驱动纳米小车开动起来。有的分子在通上电流以后，可能产生正负电荷中心错位，也就是极化，同样能够推动分子不断前进。

独乐乐不如众乐乐

图片为用扫描隧道显微镜驱动纳米小车，图片来自 Nanocar race 官网

随着‘开车’的人越来越多，独乐乐不如众乐乐，大家甚至开始筹划起了纳米小车车竞速赛。

其实想要玩纳米小车车的门槛还挺高的，只有在极低温（5K）和超高真空（十万亿分之一大小的标准大气压）环境下才完成赛道的组装和赛车的全过程，赛事的总时长必须控制在两天两夜以内。而且因为仪器的限制，每个参赛者在比赛前需要自行构建一模一样的赛道。比赛规则要求赛道‘路障’之间的距离不得大于 4 nm，而且至少需要设置 5 个路障。[9]

真实的纳米小车车赛道的模样，上图所示的蓝白条纹衬底其实是的金在某个特定平面上切开来以后，表面的金原子会重新排布，形成这种十分有名的鱼骨的样子

第一届纳米小车车竞赛已经在 2017 年落下帷幕，比赛过程真的可谓是跌宕起伏。比赛的组织者最开始其实只想着大概有 4 支队伍能够参加就不错了，因为最终比赛用的仪器里面一共有四个用来推动纳米小车车的针尖，大家一起在同一块金属上同步进行操作。不过后来随着队伍越来越多，经过筛选，最后参与比赛的达到了 6 支，最终比赛时部分选手只能远程遥控位于别处的实验设备进行比赛。

这个比赛对于纳米小车也有一定限制。小车不能太大，也不能太小，要在 100-1000 个原子之间。而且这些纳米小车一定要能够分清头和尾。在操作过程中，不能直接用力学方法推动小车，而是需要使用量子隧穿产生的隧道电流为小车提供动力。

参与第一届比赛的六种赛车型号

Tour 大叔的纳米小车车自然也参与了比赛，拿下了并列第一，并创下了当时在金属银表面最长和最快的单分子纳米小车移动记录。在该比赛还分别给参加比赛的最大的纳米小车和最美丽的纳米小车分别颁发了特别奖。而来自日本小组最终获得了‘公平竞争’奖，因为软件崩溃，他们难以复原纳米小车的位置；而在好不容易又让纳米小车刚跑出 1nm，软件第二次崩溃了……考虑到可能会影响其他选手，他们最终只能遗憾退赛。[10]

这个赛车比赛一点都不简单

你也许以为这个比赛是很随意的‘日常开车’，但是这场仅有 6 个参赛队伍的比赛的赞助商，还有标致雪铁龙、丰田和大众等现实中的汽车企业。所以这波车还是开得很溜的。

目前大家正在积极地筹划第二届纳米小车车竞赛，预注册阶段已经有 13 支队伍报名了该比赛，这里面还有两只来自中国的队伍。不知道你们期不期待~