单分子阀门实现纳米通道中的单分子流动

科学界设想利用微小的分子作为构建物体的基础元素，类似于我们用机械部件组装东西的方式。然而，挑战在于分子非常小，大约是一个垒球大小的一亿分之一，而且它们在液体中会随机移动，使得控制和操纵它们成为一种单一的形式很困难。

为了克服这一障碍，能够通过非常狭窄的通道（尺寸类似于百万分之一根吸管）输送分子的"纳米流体装置"，作为直接控制溶液中单个分子的一种手段，已经引起了人们的兴趣。

由大阪都立大学工程研究生院的Yan Xu副教授领导的一个联合研究小组已经成功地通过施加外部压力打开和关闭纳米流体装置中的一个纳米阀来调节溶液中单个分子的流动。

单分子阀的工作原理示意图，Cy3在纳米通道中的单分子流动

研究小组制造了一个纳米流体装置，其顶部是一块薄薄的柔性玻璃板，底部是一块带有小结构的硬质玻璃板，以此形成纳米通道和纳米阀座。通过向柔性玻璃片施加外部压力来打开和关闭阀门，他们成功地直接操纵和控制了溶液中单个分子的流动。

他们还发现，当他们将单个荧光分子困在阀门内部的纳米空间时，单个分子的荧光变得更加明亮。这是因为狭小的空间使单分子难以随机移动。

Xu教授说，"这种荧光信号放大的效果可以帮助检测极少量的病原体，用于癌症和帕金森病等疾病的早期诊断，而不需要昂贵的设备。"

这项研究的结果可能是朝着使用单分子作为溶液中的构件自由组装材料迈出的重要一步。这项技术有可能在各个领域发挥作用，例如开发治疗罕见疾病的个性化药物和创造更好的显示器和电池，应用前景广泛。

"我们一直在通过提出和推广'单分子调控化学（SMRC）'的概念来应对各种挑战，在这个概念中，分子被视为构件，溶液中的化学和生物化学反应的所有过程都在单分子基础上进行。Xu教授说："单分子阀门标志着向这一目标迈出了第一步，有朝一日，它可以彻底改变化学、生物学和材料科学，并改变各种行业。"