范冬蕾：南京大学理科强化班培养的才女

诸平

1 范冬蕾（Donglei “Emma” Fan）研制的纳米电机

    几天前，多家媒体对德州大学奥斯汀分校（University of Texas Austin）克雷尔工程学院（Cockrell School of Engineering）的研究人员研制出迄今为止最小、最快和运行时间最长的微小纳米电机（nanomotor）之事已有报道。研究人员声称他们的纳米电机的整体结构大小不足1平方微米，完全可以嵌入到细胞内，而且以每分钟1.8万转（18000 rpm）的速率可以连续转动15小时。相比之下，其它的微型电机每分钟转速在14～500转之间，转动时间也只有几秒到几分钟不等。范冬蕾等人对纳米电机测试了其药物释放能力，他们在其表面涂上一层药物然后旋转，结果显示可通过调整转速控制药物释放速度。这样就有可能将其植入单个细胞之中，更有望在未来驱动携带药物的纳米机器人，向特定细胞发起攻击。为糖尿病患者传递胰岛素药物，或靶定和治疗癌细胞而不伤害正常细胞的微型机器研制迈出了重要的一步。范冬蕾博士课题组他们借助一项依托直流/交流电场的专利技术，成功地设计、组装了这种迄今为止最小、最快和运行时间最长的纳米电机，其转动速率（18000 rpm）已经相当于一台喷气发动机的转速。除了可以设定开启或关闭，甚至还可以顺时针或逆时针运转。这种纳米电机由三部分组成，可以快速混合和挤压生化药剂，并可穿过液体，这对于未来的应用非常重要。一篇详细介绍该纳米电机的论文，已经在《自然通讯》(Nature Communications) 杂志上发表——Kwanoh Kim, Xiaobin Xu, Jianhe Guo, D. L. Fan. Ultrahigh-speed rotating nanoelectromechanical system devices assembled from nanoscale building blocks. Nature Communications 5, doi:10.1038/ncomms4632, Published 07 April 2014.

   带领该项目研究的是美国德州大学奥斯汀分校克雷尔工程学院的助理教授、南京大学才女校友范冬蕾（Donglei Fan）博士。本研究解决了目前纳米电机领域的两个主要问题即组装和控制。该研究小组利用一项待批的专利技术（是范冬蕾博士在约翰霍普金斯大学读书时发明的），依靠AC和DC电场，逐个组装纳米电机的每一部分，终于获得成功。

2 塔夫茨大学的纳米电机

    2011年9月初，美国塔夫茨大学（University of Tufts）查尔斯・赛克斯（Charles Sykes）带领的研究小组，也曾经报道过他们制造的直径只有1nm的电机。这种单分子结构的纳米电动机，未来有可能广泛应用在医药、工程等领域。在此之前，世界最小的电动机直径为20nm。塔夫茨大学的研究人员在2011年9月4日声称，他们计划为纳米电动机的新突破申请吉尼斯世界纪录。

参与此项研究的该校助理教授查尔斯・赛克斯说，单分子纳米电机由硫、碳和氢三种元素组成，以硫原子为基点，碳氢原子在其两侧组合形成了两只“手臂”。借助于低温扫描隧道显微镜，在经过电流刺激后，两只“手臂”便可像普通电机的轴那样进行旋转。研究人员发现，温度是控制单分子电动机运转的关键因素，温度越高，其运转的速度越快，控制难度也越大。他们认为，在-230℃左右的环境，是精确控制该电动机运转速度和方向的理想条件。这样苛刻的理想条件，只能作为理论研究而已，与实际应用相差十万八千里。研究人员也承认，只有解决了运行温度问题，单分子电机能在一些微小的医学仪器和半导体电路中发挥重要作用才有可能。该研究成果刊登在《自然・纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志——Heather L. Tierney, Colin J. Murphy, April D. Jewell, Ashleigh E. Baber, Erin V. Iski, et al. Experimental demonstration of a single-molecule electric motor. Nature Nanotechnology, 2011, 6: 625-629. doi:10.1038/nnano.2011.142.虽然具有小的优势，但是该电动机运转速度和方向的理想条件（-230℃）过于苛刻，没有办法与范冬蕾课题组的研究成果进行比较。

3 范冬蕾博士简介、获奖以及研究成果

   范冬蕾在中学阶段曾经在全国性物理、生物学和数学竞赛中赢得多个奖项。1995年未参加高考提前进入南京大学理科强化班，并获得当年新生奖学金(Freshman Scholarship)。1996~1999年，在南京大学（NJU）上学期间，年年荣获卓越奖学金(Scholarship for Excellence),1999年从于南京大学基础学科教学强化部(Department for Intensive Instruction of Science and Arts，简称DII)理科强化班化学专业本科毕业，2003年在美国约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University，简称JHU）获得了材料科学硕士学位，2005年又获得JHU电气工程硕士学位,2007年在该校获得工程学博士学位。2007～2009年期间在约翰霍普金斯大学从事博士后工作。范冬蕾博士的研究侧重于利用材料的基本性能如磁性、光学、化学、力学性能，进行纳米材料的创新设计和制造，将其应用于生物化学传感、单个活细胞刺激、微电子机械系统及纳米电磁系统（MEMS/NEMS）、能量转换和存储设备等。她是“电镊子（Electric Tweezers）”的发明者,“电子镊子”可以精确控制水悬浮的纳米材料。范冬蕾博士带领的研究团队已经取得了一系列引人注目的研究成果，先后在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）、《美国国家科学院院刊》（PNAS）、《今日纳米》（Nano Today）、《物理评论快报》（Physical Review Letters）、《先进材料》（Advanced Materials）、《美国化学会纳米》（ACS Nano）等著名期刊发表论文多篇，并有3项待批专利。 

2012年，范冬蕾博士获得了享有声望的美国国家科学基金会CAREER奖(National Science Foundation CAREER Award)，同时当选为30位美国年轻工程师之一，应邀参加了美国国家工程院(NAE)在法国召开的2013欧美前沿工程研讨会（National Academy of Engineering (NAE) 2013 EU-US Frontier of Engineering Symposium in France）。2012年由西门子基金会（Siemens Foundation）授予范博士公认名师（Recognized Mentor）称号，2010年获得美国麻省理工学院《MIT技术评论》杂志的TR35奖（MIT Technology Review's TR35 award），此奖只颁给35岁以下的青年科技俊才，涵盖IT(计算机、通信、网络)和生物医药、商业等领域，所挖掘的新人及其项目都极富创新性，不少后来都成为风云人物。此奖最初被命名为TR100，即表扬100名优秀年轻学者及研究人员，2005年起，缩小范围，只挑出35人世界顶级的年轻创新者给予表扬。2007年范博士收到了美国国家科学基金会（NSF）加州理工学院的暑期项目奖学金，还有JHU的博士后奖学金。更多信息请浏览：

http://www.me.utexas.edu/directory/faculty/fan/donglei/221/或者

http://www.me.utexas.edu/~dfan/people.html