在微观世界，分子和纳米颗粒因环境热扰动而不断随机运动，即布朗运动。当这种随机运动被限制在单一方向上，粒子只能沿该方向往复行走，就形成了一维布朗运动。在生命体内，驱动蛋白会沿微管轨道做一维布朗运动，精准输送物质，支撑细胞分裂、肌肉收缩等关键生命活动。受此启发，人工纳米系统长期尝试复制这一策略，旨在利用一维布朗运动实现纳米颗粒分离、自组装和靶向药物递送等重要应用。然而，一个根本性的瓶颈长期存在：实现一维布朗运动几乎无一例外地依赖一维纳米结构或表面沟槽等有形的“物理轨道”。一旦失去这些轨道的约束，纳米颗粒便立即恢复随机运动，丧失一维运动能力。如何在完全平整、无任何预制结构的表面上实现一维布朗运动，摆脱对有形轨道的绝对依赖，是该领域核心挑战之一。
近日，我院郭万林院士、仇虎教授团队发现了一种不依赖于表面预制轨道的一维布朗运动，以“One-Dimensional Brownian Motion on Unpatterned Two-Dimensional Crystal Surfaces”为题发表在物理力学领域旗舰期刊Physical Review Letters上，博士生赵瑞生为第一作者，仇虎教授为通讯作者。郭万林院士提供了重要指导。该团队首次在无预制轨道的原子级平整表面上，实现了纳米颗粒自发、持续的一维布朗运动，并演示了物质的可控精准输运等领域的潜在应用。
研究团队选取单层C60纳米网络作为模型体系，该结构近期已由实验成功合成。将其放置于石墨烯等二维晶体材料基底上，设定不同初始取向，并构建了一系列原子模型（图1上）。全原子分子动力学模拟表明，在室温下，无论初始摆放角度如何，C60网络均在纳秒尺度内自发旋转，与基底形成能量最低的平衡堆垛构型；一旦完成平衡堆垛，便严格沿石墨烯zigzag方向作往复运动 (图1下)，呈现出一维布朗运动的典型特征。进一步研究证实，改变C60网络的形状、尺寸、层数乃至相结构，该运动依然稳定存在，不依赖特定构型。这充分说明，该一维运动源于界面公度性主导的内在约束，与依赖预制轨道的传统一维布朗运动截然不同。
图1. C60纳米网络在石墨烯基底表面进行一维布朗运动
这种一维运动是如何发生的呢？团队构建了界面势能模型，理论推导给出了C60网络在石墨烯表面的滑动势能面（图2）：
其中，Uk为周期势的幅值，Gi为石墨烯基底晶格的倒易矢量，a1和a2为C60网络的晶格基矢，（n,m）为C60网络晶格位置的整数索引，dj表示某一C60单元内第j个原子相对于质心的位置矢量。由此发现，不同方向的滑动能垒差异悬殊：沿运动方向（x向），能垒极低，室温下的热涨落即可驱动滑移；在垂直方向（y向），能垒则要高出约两个数量级。这种高度各向异性的势能面形成了一条无形的“能量轨道”，将C60网络的随机运动约束在一维方向。进一步分析表明，这种方向性源于两种材料之间特殊的晶格匹配关系：垂直方向近乎完美匹配，形成约束“高墙”；运动方向则明显失配，形成滑动“通道”。团队还在h-BN、MoS2等其他晶体表面验证了这一机制。
图2. C60网络在石墨烯表面的滑动的势能面
应变不仅能调节界面晶格匹配，还会影响一维布朗运动的滑动速度。团队沿滑动方向（x向）对石墨烯基底施加不同应变后发现，应变ε越大，界面滑动能垒Δ𝐸越高，C60网络的平均运动速度⟨𝑣𝑥⟩就越低，二者呈负相关关系（图3a）。基于这一规律，团队通过在0%与10%应变之间反复切换，实现了对布朗运动启停的精准控制（图3b）。团队进一步建立了平均速度与滑动能垒之间的定量关系，模型预测与模拟结果高度吻合（图3a），证实运动速度主要由滑动能垒支配，从理论上确认了界面晶格匹配是调控一维布朗运动的关键因素。
图3. 应变工程调控一维布朗运动
最后，研究团队展示了该运动模式在纳米物质可控输运中的应用潜力。在热梯度等外场驱动下，C60网络可作为“运输平台”搭载货物沿预定方向运动；当到达预设位置后，通过旋转其取向即可切换运动方向，进而将货物以埃米级精度输运至平面内的任意目标位置（图4）。这一发现为路径可控的微纳尺度物质输运提供了全新方案。
图4. 基于一维布朗运动实现纳米尺度定向输运
本研究得到国家自然科学基金优秀青年科学基金、江苏省杰出青年基金等项目的支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/dswg-sb5y
一审：仇虎 二审：周琳 三审：董昊
