我們生活中充滿著機(jī)器，機(jī)器接管世界的想法已不僅僅是小說中的內(nèi)容，它已經(jīng)發(fā)生了。目前的機(jī)器都是相對(duì)較大的，但許多科學(xué)家想要小得多的機(jī)器：用分子制造機(jī)器。微型機(jī)器可以改變從醫(yī)學(xué)到材料科學(xué)的一切事物，分子過程在其中發(fā)揮著重要作用，然而在微觀尺度上控制運(yùn)動(dòng)需要一些物理、化學(xué)知識(shí)。

機(jī)器基本上是任何將一些能量輸入至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)備，每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件都有不同的功能。這些部分結(jié)合在一起產(chǎn)生有用的運(yùn)動(dòng)作為輸出，這被稱為做功。使機(jī)器更小有一些明顯的優(yōu)勢(shì)，比如能夠更輕松地運(yùn)輸它們使它們移動(dòng)得更精確。1959年，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼談到了“在小范圍內(nèi)操縱和控制事物的問題”，其中的“小范圍”就是由一個(gè)或幾個(gè)分子組成的機(jī)器。

二十年后，納米技術(shù)先驅(qū)埃里克·德雷克斯勒偶然發(fā)現(xiàn)了費(fèi)曼關(guān)于機(jī)器講座的抄本。他進(jìn)一步發(fā)展了一些想法，并于1981年發(fā)表了一篇名為《分子工程》的論文。德雷克斯勒想象分子大小的機(jī)器可以在原子尺度上操縱化學(xué)過程的反應(yīng)物，甚至可以從分子中構(gòu)建新材料。這將是巨大的突破！想想過去幾十年工程師如何設(shè)法縮小電子元件，將建筑物大小的計(jì)算機(jī)變成手機(jī)?？s小機(jī)械部件可以開啟類似的革命，但建造納米級(jí)機(jī)器所面臨的挑戰(zhàn)與之前所遇到的截然不同。

在分子尺度上，機(jī)器的行為不會(huì)像我們?cè)谌粘Ｒ?guī)模上所習(xí)慣的那樣，如果沒有精心設(shè)計(jì)，分子的“螺母”和“螺栓”就無法輕易擰開。分子間存在著范德華力，它們吸引到一起的影響比摩擦對(duì)普通螺母和螺栓的影響要大得多。另一個(gè)問題是，讓分子機(jī)器的組件按照你想要的方式移動(dòng)會(huì)比較棘手，附近分子的熱運(yùn)動(dòng)（噪聲）也可能使組件隨機(jī)移動(dòng)。最后，大多數(shù)分子通過化學(xué)鍵連接在一起，有不同種類的化學(xué)鍵，它們往往都相當(dāng)剛，不允許兩個(gè)部件之間自由運(yùn)動(dòng)，而機(jī)器通常依賴部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

索烴

因此，要建造分子機(jī)器，工程師必須要弄清楚如何利用所謂的機(jī)械鍵。在機(jī)械鍵中，分子的形狀將它們互鎖在一起，互鎖的兩個(gè)分子之間沒有共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)，但只有破壞其中一個(gè)分子的共價(jià)鍵才能破壞分子間的機(jī)械鍵，使它們完全分離。早在1960年代，科學(xué)家就已經(jīng)創(chuàng)造了這樣的連接分子，它們被稱為索烴。但它們很少見，而且很難生產(chǎn)用于科學(xué)研究，更不用說任何實(shí)用的東西了。

直到1983年，法國化學(xué)家讓-皮埃爾·索瓦日有了一個(gè)意想不到的發(fā)現(xiàn)。索瓦日最初是在研究由紫外線驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)，其中一個(gè)過程涉及將自身附著在銅離子的C形分子。在對(duì)反應(yīng)進(jìn)行建模時(shí)，他意識(shí)到通過調(diào)整方法，他可以從這些分子中產(chǎn)生比以往更多的索烴。

訣竅是讓銅離子與環(huán)狀分子的內(nèi)部相結(jié)合，然后一個(gè)C形分子可以穿過環(huán)并附著在同一個(gè)銅離子上。在合適的環(huán)境中，另一個(gè)C形分子可以與第一個(gè)分子化學(xué)鍵合形成一個(gè)互鎖環(huán)，最后再把銅離子彈出。這樣我們就得到了一個(gè)機(jī)械鍵結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)分子環(huán)。這些環(huán)可以相對(duì)于彼此自由旋轉(zhuǎn)，就像機(jī)器一樣。索瓦日甚至將這一過程擴(kuò)展到制造打結(jié)的化學(xué)品和更復(fù)雜的鏈。

1994年，索瓦日?qǐng)F(tuán)隊(duì)找到了一種方法，使用帶有夾層銅離子的索烴讓一個(gè)環(huán)圍繞另一個(gè)環(huán)轉(zhuǎn)了起來。因?yàn)榄h(huán)并不均勻，如果離子的電荷發(fā)生了變化，它們會(huì)調(diào)整到更穩(wěn)定的電學(xué)位置。因此，當(dāng)該銅離子在化學(xué)反應(yīng)中心被剝離電子時(shí)，其中一個(gè)環(huán)將旋轉(zhuǎn)180度；如果銅離子重新捕獲電子，它就會(huì)再扭轉(zhuǎn)回來。如果我們想要制造帶有旋轉(zhuǎn)部件的分子機(jī)器，掌握這種運(yùn)動(dòng)真的很重要。

輪烷

大約在同一時(shí)間，英國化學(xué)家弗雷澤·斯托達(dá)特在不同的化學(xué)機(jī)制上取得了進(jìn)展，他制造出了一種稱為輪烷的分子機(jī)器。早在1991年，斯托達(dá)特團(tuán)隊(duì)就制造了一個(gè)缺少電子的幾乎閉合的原子環(huán)。它們還制造了一個(gè)棒狀分子，該分子具有兩個(gè)富電子位點(diǎn)和龐大的硅基端蓋。當(dāng)把它們放在一起時(shí)，靜電引力使環(huán)連接到棒上，在那里發(fā)生化學(xué)反應(yīng)把環(huán)給關(guān)閉了。

雖然帶正電荷的環(huán)被吸引到軸上帶負(fù)電荷的位置，但它并沒有通過化學(xué)鍵連接得更緊。此外，環(huán)還可以在軸上兩個(gè)帶負(fù)電荷的點(diǎn)之間跳躍，而龐大的硅基端蓋則阻止它掉落出去。利用這種原理，他們制造了一種可以將自身抬高幾納米的分子電梯。

不斷旋轉(zhuǎn)

索瓦日的環(huán)可以響應(yīng)輸入而旋轉(zhuǎn)，但不能像電機(jī)一樣提供連續(xù)的、受控的輸出。然而，在1999年，荷蘭化學(xué)家伯納德·費(fèi)林加的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。他們開發(fā)了一種雙面分子，其作用有點(diǎn)像電機(jī)葉片。正如我們前面所提到的，熱噪聲使得控制分子組件的移動(dòng)方式變得棘手，但費(fèi)林加的分子是基于兩個(gè)甲基基團(tuán)，這些甲基基團(tuán)被設(shè)計(jì)成只能繞一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。每次紫外光脈沖撞擊其中一個(gè)甲基時(shí)，它都會(huì)吸收光并將其轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，然后圍繞軸旋轉(zhuǎn)。

2011年，費(fèi)林加和他的團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步，使用這種技術(shù)制造了一輛帶有四個(gè)旋轉(zhuǎn)輪子的納米汽車。

索瓦日、斯托達(dá)特和費(fèi)林加使用巧妙的設(shè)計(jì)和特殊的環(huán)境，來解決我們?cè)谑褂没镜姆肿訖C(jī)器時(shí)所遇到的問題。在2016年，他們的努力獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。