馬達和機械的小型化，尤其是納米和微米級馬達的發展會引領新的工業革命。但是小型化之路也充滿荊棘。Feringa首次化學合成了光驅動的分子馬達，它類似于四沖程的循環內燃機，在循環溫度或光照驅使下，分子在四種構型之間持續變換從而實現連續轉動。

生物馬達將消耗的能量轉化為動能或機械能，而且轉化效率明顯優于內燃機和電動機。這是因為生物分子是以組裝體的形態進行工作的，組裝后的生物分子之間相互合作可以進行一系列如細菌鞭毛的旋轉和細胞的移動等生命過程。但是在膠體科學和納米技術這一領域，通過純粹的合成技術制備自組裝的納米即微米尺寸的馬達仍具有很大的挑戰。

偶氮苯是一種常見的光敏性材料，在光的刺激下會改變自身的極性。液晶能夠很好得控制光的偏振及強度，在日常生活中應用廣泛。為了得到一個純合成的光驅動馬達，科羅拉多大學的Ivan I. Smalyukh教授將數億個偶氮苯分子在二氧化硅膠體薄盤表面自組裝形成單分子層，然后將其分散在向列型液晶中。在低強度的非結構化光（~1 nW）驅動下，制備得到了可以進行高度可控持續旋轉的微米粒子。

組裝后的偶氮苯在微粒表面與液晶的光軸耦合，通過光的偏振變化對兩者的共同旋轉進行調控；微粒旋轉會導致液晶扭曲從而進一步引起光的偏振變化，造成連續的光學機械循環和單向微粒旋轉。

圖1 二氧化硅膠體薄片和偶氮苯在向列型液晶中的示意圖

圖2 在光驅動下，膠體微粒旋轉的表征

結果表明，作者利用分子組裝成功制備了光驅動分子回旋馬達。并且作者揭示了基于液晶實現周期振動和持續單向旋轉等不同膠體動力學的反饋機理，同時利用光強和微粒的幾何形狀調控微粒的角速度。

該工作發表在《自然?通訊》上（Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-018-07518-x）

來源：高分子科學前沿