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細菌鞭毛馬達動力學研究取得進展


- 2018年6月02日13時53分
- 科學文摘 / 中科院之聲

中科院之聲

中國科學技術大學物理學院及合肥微尺度物質科學國家研究中心袁軍華、張榕京課題組,在細菌運動行為研究領域取得新進展,通過發展新實驗手段,精確測量並澄清了細菌鞭毛馬達動力學的一個重要特徵¾馬達力矩產生單元的占空比(Duty ratio)的高低。近日,該研究成果發表在《美國科學院院刊》上。

細菌鞭毛馬達是驅動帶鞭毛細菌(如大腸桿菌)遊動的納米尺度轉動馬達,是生物中的納米機電系統。其內可以有多個力矩產生單元(定子),定子作用於馬達的轉動部分(轉子)而產生力矩。定子的占空比,即定子在一個力化學循環中與轉子作用的時間比例,類似於定子作用的效率,是對馬達力矩產生動力學的關鍵刻畫。這個占空比需要從馬達在零負載下的極限速度與定子數目的關係中測量得到。

近20年來,有不少實驗試圖測量馬達的占空比,並引發多個關於馬達動力學的理論模型的提出。但由於技術限制,過去無法對馬達零負載下的定子數目做精確測量,從而對占空比的值一直存在實驗和理論上的爭議。袁軍華、張榕京課題組發展了雷射暗場、光鑷、明場相結合的手段,設計實驗實現對馬達零負載下定子數目的精確測量,發現馬達零負載下的極限速度與其內定子數目無關,從而確定地證明馬達定子的占空比很高(接近1)。


研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、青年千人計劃和中國科大創新團隊培育基金的支持。

細菌鞭毛馬達動力學研究取得進展圖片


雷射暗場+光鑷+明場光路設計簡圖(上);光路局部實物圖(左下);測量結果表明馬達定子占空比是1(右下)。


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