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重點提要
■奈米科技擁有許多潛在未來應用，例如可用於組裝其他機械，或是在人體內移動、投送藥物或進行微型手術。
■這類機器將面對獨特的物理學原理。在極小的尺度中，液體和蜂蜜一樣黏稠，布朗運動則使所有物體不斷搖晃。
■化學家由活細胞的生物引擎取得靈感，研究如何透過觸媒反應為奈米機器人提供動力。
想像一下，如果能製造大小和細菌或分子相仿的汽車、飛機或潛艇，把這些超微機器人當成外科醫師注射入人體，便能標定並治癒病灶，例如動脈內的斑塊和可能導致阿茲海默症的蛋白質沉澱等。另外，具備奈米尺度特徵與元件的奈米機器人也可鑽進橋樑或飛機翼中，修復肉眼看不見的裂縫，防止它擴大而導致嚴重損壞、釀成災害。
近年來，化學家開發出許多適用於微型機械的優異分子結構。舉例來說，美國萊斯大學的涂爾（James Tour）等人製作出分子尺度的汽車，以四個巴克球（形狀類似足球的碳分子）當做車輪，大小約為人體細胞的1/5000。但如果打開奈米汽車的引擎蓋，你會發現裡面沒有引擎。涂爾的奈米汽車目前唯一的動力來源是它與周圍分子隨機碰撞，也就是「布朗運動」。這就是分子機械目前最大的問題：我們知道怎麼製造，卻不知該怎麼推動它。
在等於或小於活細胞的尺度中，這項任務還得面對特殊挑戰。空氣和水對它們而言跟蜂蜜一樣黏稠，布朗運動則讓分子的行徑全無章法。在這些情況下，就算我們能夠把汽車引擎做成奈米尺度大小，恐怕也沒辦法讓它動起來。
然而，大自然中有許多奈米引擎的例子，觀察一下活細胞就知道了。細胞就是使用奈米引擎來改變形狀，在分裂時拉開染色體、建造蛋白質、吸收營養、從周圍來回運輸化學物質等。這類奈米引擎，以及肌肉收縮和細菌鞭毛螺旋狀運動的動力來源，都是相同的原理：將化學能（通常以三磷酸腺的形式儲存在細胞內）轉換成機械能，而這個反應必須藉助觸媒，也就是可促進三磷酸腺（ATP）分解的化合物。研究人員運用類似原理製造的人工奈米引擎，已獲得令人振奮的進展。
2004年，我們參與美國賓州州立大學的研究團隊，開發了一種簡單的奈米引擎，能運用觸媒將儲存在燃料分子內的能量轉換成運動。我們的構想取自2002年美國哈佛大學的伊斯馬基洛夫（Rustem Ismagilov）和懷特塞茲（George Whitesides）提出的觸媒引擎，它在尺寸上大了許多。哈佛大學的研究團隊發現，長數公分、尾部有白金條（鉑）做為觸媒的「小船」，可在過氧化氫（雙氧水）水溶液的表面上自動前進。鉑可促進雙氧水分解成氧與水，生成的氧氣氣泡產生反作用力，推動小船前進，就和噴氣由火箭尾部噴出，推動火箭前進一樣。
縮小版觸媒引擎
我們的縮小版觸媒引擎，是一段長度大約相當於細菌細胞（約2微米）、直徑則為細菌細胞的一半（350奈米）的金鉑棒，它混合在溶液中，而非漂浮於表面。這些微小的觸媒柱和細胞內以ATP為動力來源的分子引擎一樣，是以本身周圍的液體當做燃料。它們確實會以每秒數十微米的速度自行移動，在顯微鏡下活像細菌在游泳，看起來有點詭異。
不過這個實驗的基礎假設是錯誤的，這在科學界經常發生。我們以為奈米棒尾端會釋放微小的氣泡，以反作用力推動它。但實際上的運作方式更加有趣，也讓奈米科技專家了解到，我們必須以相當不同的方式思考極小尺度的運動。
在巨觀尺度中，反作用力的概念確實有意義。我們游泳或划船時，手、腿或槳將水向後推，反作用力便會推動身體或船身前進，然後手即使停止划動，游泳者或船身仍可向前滑行，滑行的距離取決於黏滯力（或阻力）和慣性（物體對抗速度變化的能力）：阻力與物體的直徑成正比，而慣性則與物體的質量成正比（也就是與物體直徑的三次方成正比）。對較小的物體而言，慣性的影響很快就可以忽略，因此只需考慮阻力。在微觀尺度中，滑行大約在一微秒內就會停止，滑行距離則少於1/100奈米。因此，對於水中的微米尺度物體而言，游泳就像在蜂蜜中艱難前進。奈米引擎不會記得推動它前進的力量（也就是沒有慣性），慣性推進方式（例如船身藉由氣泡提供的反作用力前進）在這裡也起不了作用。
奈米棒無法藉助滑行來運作，因此事實上是以持續施力來克服阻力。在鉑的一端，雙氧水分子分解成一個氧分子、兩個電子和兩個質子。在金的一端，電子和質子會和一個雙氧水分子結合，生成兩個水分子。這些反應會使棒子的一端多出一個質子、另一端則少一個質子，因此質子會沿著奈米棒的表面由鉑端移動到金端。
質子和水中其他正離子一樣，會吸引水分子帶負電的部份，在移動時帶動水分子，推動奈米棒朝反方向移動（請參見49頁〈仔細瞧瞧觸媒引擎〉），因為根據牛頓第三運動定律，作用力必有一個大小相等、方向相反的反作用力。
在我們的學生以及同校的的克瑞斯皮（Vincent H. Crespi）、維勒戈爾（Darrell Velegol）與凱奇馬克（Jeffrey Catchmark）協助之下，我們確立了上述的運作原則，並設計出其他數種觸媒奈米引擎。德州大學奧斯丁分校赫勒（Adam Heller）及亞利桑那州立大學王（Joseph Wang）等人曾經展示，混合不同的燃料（包括葡萄糖、氧或雙氧水與聯胺）可讓奈米引擎行進得比在單一燃料中更快。
我們開發的金屬奈米棒可在大量溶液中移動，由不受雙氧水影響的金屬奈米棒促使結構表面附近的液體流動，進而帶動液體中其他物體。我們已經證明了，帶有銀質花紋的黃金表面，也會產生這種液體帶送效果。
從控制航向到自主前進
第一批研發出的奈米棒移動方向並不固定，經常在布朗運動的影響下四處亂轉。當然，在實際應用中，我們必須設法操控奈米機器朝目標行進。
我們首先嘗試以磁場來解決操控問題。我們在奈米棒中嵌入可與磁場交互作用的鎳片，就像指南針一樣，鎳片南北極的軸線垂直於奈米棒的長軸。幾公釐外有一枚冰箱磁鐵，對奈米棒施加力矩，以克服布朗運動使奈米棒亂轉的力量。如此一來，剩下的就只有平行於奈米棒長軸的作用力，因此奈米棒可直線移動，並且可用磁場操控，很類似細菌自動對齊地球微弱磁場的行為。類似的引擎也可在微型的磁場迷宮中巡行，沿著磁力線左彎右拐。
2008年，克瑞斯皮和本文作者之一沈恩曾經展示以磁場操控的引擎可在液體中拖曳「貨櫃」，也就是體積為其10倍的塑膠球體。這類運輸引擎未來將有不少有趣的用途，例如將藥物投送到人體特定細胞，或在奈米尺度的組裝線上運送分子，以化學方式結合貨物與其他分子。
在外部操控奈米機器人可能相當有用，但是對某些用途而言，奈米機器人能自行移動可能比較重要。維勒戈爾和沈恩最近發現，我們的觸媒奈米棒能循化學「記號路徑」行進，這和細菌的行進方式相同。細菌通常以一連串直線方式前進，中間穿插有多次隨機轉向，但當直線行進正好朝化學梯度較高處行進時（例如越接近食物本身，食物的氣味越強），細菌直線行進的長度也會跟著增加。由於朝有利方向的行進距離比朝不利方向的行進距離長，因此結果是細菌會朝目標聚集，但其實沒有什麼因素直接操控它們，而是一種稱為「趨化性」的行進策略。
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