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Chemically-powered swimming and diffusion in the microscopic world

布朗运动 工作(物理) 扩散 化学能 化学物理 联轴节(管道) 统计物理学 机械 材料科学 物理 纳米技术 热力学 量子力学 冶金
作者
Yifei Zhang,Henry Hess
出处
期刊:Nature Reviews Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:5 (7): 500-510 被引量:101
标识
DOI:10.1038/s41570-021-00281-6
摘要

The past decade has seen intriguing reports and heated debates concerning the chemically-driven enhanced motion of objects ranging from small molecules to millimetre-size synthetic robots. These objects, in solutions in which chemical reactions were occurring, were observed to diffuse (spread non-directionally) or swim (move directionally) at rates exceeding those expected from Brownian motion alone. The debates have focused on whether observed enhancement is an experimental artefact or a real phenomenon. If the latter were true, then we would also need to explain how the chemical energy is converted into mechanical work. In this Perspective, we summarize and discuss recent observations and theories of active diffusion and swimming. Notably, the chemomechanical coupling and magnitude of diffusion enhancement are strongly size-dependent and should vanish as the size of the swimmers approaches the molecular scale. We evaluate the reliability of common techniques to measure diffusion coefficients and finish by considering the potential applications and chemical to mechanical energy conversion efficiencies of typical nanoswimmers and microswimmers. Implementing effective chemomechanical coupling in the microscopic world is challenging. This Perspective describes recent advances of chemically-powered swimming or diffusion of objects on the molecular scale, nanoscale and microscale.
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