棘轮机制是一种迷人的能量转换系统，它通过一个被称为自发整流的过程，将无序或随机的运动转化为有序、定向的运动。它是机械系统的一个关键组成部分，通常由一个齿轮和一个爪组成，它限制了齿轮在一个方向上的运动。在生物系统中，已经提出了布朗棘轮的概念，以帮助理解分子马达的机制，其中化学反应纠正了分子的随机热运动。
根据热力学第二定律，均匀的热波动不能自发地产生规则的运动。因此，实际的布朗棘轮需要非平衡波动才能起作用。生物系统中的生理化学反应调节热运动，并已知产生非热波动，这可能对棘轮机制至关重要。此外，确定可以通过棘轮机制纠正的非平衡噪声运动的类型是科学中一个有趣和基本的问题，促进了新型能量收集技术的发展。费曼-斯摩丘夫斯基棘轮是活跃布朗棘轮的一个经典例子，它导致了许多棘轮运动的研究。在大多数这些研究中，棘轮机制包括使用几何不对称的棘轮来纠正由机械振动引起的非热波动。
来自同志社大学化学工程与材料科学系的一组研究人员在博士生Miku Hatatani的带领下，与副教授Yamamoto Daigo和Akihisa Shioi教授一起，利用几何对称齿轮，基于表面润湿性的不对称性，开发了一种新的棘轮机制。“我们实现了一种新的主动布朗棘轮电机模型，它利用了棘轮机构的表面能量分布。这与传统的几何不对称棘轮有很大不同，更接近生物棘轮。”Hatatani解释道。他们的研究发表在2024年7月18日的《科学报告》杂志上。
该团队开发的创新棘轮机制包括一个几何对称的星形齿轮，由丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)树脂制成，有六个三角形齿。副膜被附加到每个牙齿的右侧，从齿轮的正面看，导致在牙齿的两个面之间的表面润湿性的差异。测试人员将该设备放在一个充满水的培养皿中，培养皿顶部安装了一个摄像头。齿轮是用推销通过其中心的一个钻孔固定的。培养皿被放置在一个以预定频率垂直振动的振动盘上，在水中产生随机波动。
带副膜的齿轮在水床中单向旋转，在有限的频率和振幅范围内具有垂直振荡。相比之下，没有副膜的齿轮没有表现出任何频率或幅度的单向旋转。副膜齿轮的单向旋转是由齿轮的手性决定的，这意味着从不同的面看旋转方向是相反的。从正面看，它呈现出顺时针旋转方向，反之亦然。有趣的是，齿轮在较短的时间尺度上显示出两个方向的波动，但在较长的时间尺度上，它显示出单向旋转。
研究人员对这种创新的棘轮电机的机理进行了研究，发现其独特的运动是由一个带有偏驱动力的随机过程产生的。这种偏斜的驱动力是由高度光滑的副膜面和相对粗糙的非副膜面之间的水波相互作用或表面润湿性的差异产生的。
Hatatani强调了这项研究的潜力，他说:“考虑到分子棘轮在循环变化的不对称电位上工作，我们的系统可能会为产生新的棘轮电机设计提供突破。我们相信，它可以引领能量收集技术的发展，例如，在微流体装置中，可以实现振动噪声和微米大小的电机的定向传输。”
展望未来，她乐观地总结道:“我们希望我们的工作能够激发未来的研究，最终发现科学与技术之间缺失的联系，从而实现真正的布朗棘轮，从而产生新的能量收集技术。”
关于日本同志社大学的畑谷未来
Miku Hatatani目前是同志社大学研究生院化学工程与材料科学系的博士生。她也是同志社大学分子化学工程实验室的成员。她的研究兴趣包括生物棘轮马达，布朗棘轮，以及对非平衡现象和非线性科学的广泛兴趣。
资金信息
本研究由日本科学促进会(JSPS)资助。(KAKENHI资助号JP22K03560)，并得到JST的支持，设立大学奖学金，以创造科学技术创新，JST SPRING给M.H.;批准号:JPMJFS2145和JPMJSP2129。
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