近年来，化学反应驱动微纳米机器运动的现象广受关注，并被尝试应用于药物递送、生物分离、环境治理等领域。由于微纳米机器处于低雷诺数的流体环境下，其运动主要受到粘性力及随机的布朗运动控制，化学反应对于微纳机器的推动作用呈现出很强的尺度效应。反应的快慢、微纳米机器的大小和形态、系统中化学势的梯度及其变化都能够显著影响微纳米机器的扩散或定向移动；另一方面，微纳米尺度下颗粒扩散系数的测定方法的局限性使该问题进一步复杂化。因此，许多过去观测到的扩散或迁移现象背后的机制并未被完全解析，学术界仍存在许多争议。
北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心的张一飞教授与哥伦比亚大学Henry Hess教授合作，系统地总结了微观世界中化学反应驱动的扩散或泳动现象的尺寸效应，讨论了常见的微纳机器自推动的机制，辨析了以酶为代表的生物大分子的扩散增强现象，指出了近期《Science》等期刊所报道的小分子受化学反应影响而产生的扩散增强现象与现有认识的矛盾。文章还比较了常见的扩散系数测量方法的可靠性，列举了典型的微纳机器将化学能转化为机械能的能量转换效率及微纳机器的潜在应用。论文以“Chemically powered swimming and diffusion in the microscopic world”为题发表在国际顶级综述期刊《Nature Reviews Chemistry》。
此外，张一飞教授与Henry Hess教授还受邀为《Matter》撰写Preview文章“Actuating macroscopic machines with nanoscopic engines”，该文配合匹兹堡大学Anna. C. Balazs教授的“Self-morphing, chemically driven gears and machines”论文发表。文章简要介绍了近年来酶驱微纳机器的进展，强调了人造微纳机器相比于生物分子机器在化学能和机械能的能量转换效率上的巨大差距，并指出提高其能量效率的关键在于发展更高效的化学-力学直接耦合机制。
以上工作得到了北京化工大学启动经费、国家级青年人才项目、化工资源有效利用国家重点实验室的支持。课题组每年招收博士研究生和硕士研究生数名，长年招聘具有合成生物学与生物化工、生物物理与生物化学、生物纳米技术等方向的博士后研究员及青年教师。热忱欢迎有志于从事相关领域研究的优秀青年人才加入团队。
文章链接：Yifei Zhang*, Henry Hess*. Chemically-powered swimming and diffusion in the microscopic world. Nat. Rev. Chem. (2021). https://www.nature.com/articles/s41570-021-00281-6
Yifei Zhang*, Henry Hess*. Actuating macroscopic machines with nanoscopic engines. Matter (2021). https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.03.001