深度解讀2016諾貝爾化學(xué)獎：分子馬達(dá)與納米火箭，分子機(jī)器很有可能會在未來的新材料、傳感器、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域大顯身手。有望推動納米技術(shù)走向成熟。　因在分子機(jī)器設(shè)計(jì)與合成領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，三位科學(xué)家獲得該獎項(xiàng)。國內(nèi)媒體指出，分子機(jī)器存在的學(xué)術(shù)意義在于，它給傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)和納米科技建立了一座橋梁。外媒報(bào)道稱，該領(lǐng)域獲得諾貝爾化學(xué)獎?wù)J可，有望推動納米技術(shù)逐步走向成熟，未來將主要用于醫(yī)療和材料兩大領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域中，分子機(jī)器有望更精準(zhǔn)捕捉癌細(xì)胞并進(jìn)行消滅；在材料領(lǐng)域中，該設(shè)備能幫助科學(xué)家研發(fā)新型智能材料。

目前，科技巨頭已開始涉足該領(lǐng)域。谷歌旗下X實(shí)驗(yàn)室此前在全球科技大會上表示，針對癌癥和其他疾病的早期診斷與治療，正在設(shè)計(jì)一種納米機(jī)器。海外研究報(bào)告預(yù)計(jì)，到2020年，全球納米生物市場規(guī)模將達(dá)420億美元。

2016年諾貝爾化學(xué)獎授予讓-皮埃爾·紹瓦熱（Jean-Pierre Sauvage），J·弗雷澤·斯托達(dá)特（J. Fraser Stoddart）和伯納德·L·費(fèi)林加（Bernard L. Feringa），因其“發(fā)明了行動可控、在給予能源后可執(zhí)行任務(wù)的分子機(jī)器”。信息技術(shù)的發(fā)展帶來了小型化的技術(shù)革命，今年的諾貝爾化學(xué)獎工作把化學(xué)研究帶入了一個全新的維度。

1983年，讓-皮埃爾·紹瓦熱邁出了通往分子機(jī)器的第一步，他將兩個環(huán)狀分子連成鏈狀，并將其命名為索烴。隨后的1991年，斯托達(dá)特成功制備了輪烷，其中一個分子為鏈，一個分子為環(huán)，環(huán)分子可以繞鏈轉(zhuǎn)動。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家成功研制了分子起重機(jī)、分子肌肉和分子芯片。費(fèi)林加則是發(fā)展分子發(fā)動機(jī)的第一人。1999年，他制備了一種能夠持續(xù)朝一個方向轉(zhuǎn)動的分子發(fā)動機(jī)，用它轉(zhuǎn)動了比它大一萬倍的玻璃杯，并且設(shè)計(jì)了一個微型車。

本屆諾貝爾獎獲獎?wù)邘Щ瘜W(xué)走出了僵局，并用給予能量的方式控制了分子的運(yùn)動。從發(fā)展的眼光看，分子機(jī)器之于我們正如電動機(jī)之于19世紀(jì)的科學(xué)界先輩，那時他們并不知道這些線圈和磁石會化為電車、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇等等走進(jìn)千家萬戶。分子機(jī)器很有可能會在未來的新材料、傳感器、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域大顯身手。

2015年12月號的《環(huán)球科學(xué)》中的《分子馬達(dá)與納米火箭》一文就著重介紹了斯托達(dá)特和費(fèi)林加的工作，斯托達(dá)特在采訪中說：“這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)走過了漫長的道路，現(xiàn)在是時候向外界證明它們是有用的了。”而獲得2016年的諾貝爾化學(xué)獎，對于分子機(jī)器這個前景無限的新興領(lǐng)域，無疑是最好的鼓勵。

撰文：馬克·佩普洛（Mark Peplow）   翻譯：楊科

一個機(jī)器人沿著預(yù)定軌道緩慢行進(jìn)，時不時停下來伸出手臂收集一下零件，并把收集起來的零件放置在背后一個特別設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)里。一處收集完成后，機(jī)器人繼續(xù)向前行進(jìn)，重復(fù)這一過程——直到按照既定設(shè)計(jì)把一連串的部件全部收集完畢。

如果不告訴你這條流水線其實(shí)只有幾納米長，你可能會以為上面描述的是一個高科技工廠中的場景。而在這條納米流水線中，零件是氨基酸，多個零件則串成了一小段多肽。完成這一系列任務(wù)的機(jī)器人由英國曼徹斯特大學(xué)的化學(xué)家戴維·利（David Leigh）所設(shè)計(jì)，這也是迄今為止在分子尺度上設(shè)計(jì)出的最復(fù)雜的機(jī)器人之一。

這個機(jī)器人并不孤單，因?yàn)樗摹案赣H”戴維·利只是逐漸壯大的“分子建筑師”大軍中的一份子。他們希望通過化學(xué)手段去模擬活細(xì)胞中可像機(jī)器一般發(fā)揮作用的生物分子，比如沿著細(xì)胞內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)移動的驅(qū)動蛋白，或是通過讀取遺傳密碼合成蛋白質(zhì)的核糖體。在過去的25年里，研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)并制造出了大量可以像樂高積木一樣在納米尺度上完成組裝的分子機(jī)器部件，包括分子開關(guān)、分子棘輪、分子馬達(dá)、分子連桿、分子環(huán)和分子推進(jìn)器等。由于分析化學(xué)工具的不斷改善以及構(gòu)建有機(jī)大分子的相關(guān)反應(yīng)的日漸成熟，這一研究領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。

然而，這一領(lǐng)域目前的發(fā)展到達(dá)了一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。“我們已經(jīng)制造出了五六十種不同的（分子）馬達(dá)，”荷蘭格羅寧根大學(xué)的化學(xué)家本·費(fèi)林加（Ben Feringa，2016年諾貝爾化學(xué)獎得主）說道，“我現(xiàn)在更關(guān)心的是怎么使用它們，而不是再造出一種新的馬達(dá)來。”這一跡象在今年6月份的美國戈登會議（US Gordon conferences）上就已清楚地出現(xiàn)。這一在學(xué)術(shù)界有著舉足輕重地位的會議今年首次將“分子機(jī)器及其潛在應(yīng)用”作為重點(diǎn)議題，標(biāo)志著該領(lǐng)域的研究進(jìn)入新的紀(jì)元——本次會議的組織者、以色列魏茨曼科學(xué)研究所的化學(xué)家拉法爾·克萊因（Rafal Klajn）如是說。戴維·利也說：“在15年內(nèi)，分子機(jī)器領(lǐng)域的研究將成為化學(xué)和材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心部分。”

要達(dá)到戴維·利所期望的目標(biāo)并非易事。首先，研究人員得知道如何讓數(shù)以億計(jì)的分子機(jī)器協(xié)同工作，產(chǎn)生可觀測到的宏觀效果，除此之外，研究人員還需要讓這些分子機(jī)器易于操控，保證它們可以在不間斷的情況下完成無數(shù)次操作。

這也就是為什么該領(lǐng)域的眾多專家并不期望分子機(jī)器的首批應(yīng)用會涉及到多么復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。但他們認(rèn)為，組成這些分子機(jī)器的基本部件將會在眾多的科學(xué)領(lǐng)域中得到應(yīng)用：比如用于靶向釋藥的光敏開關(guān)，或是可以根據(jù)光信號進(jìn)行伸縮運(yùn)動或儲能的智能材料，這意味著分子建筑師們需要與其他可能從“分子零件”中受益的領(lǐng)域展開合作。克萊因說：“我們必須讓這些合作伙伴們相信，‘分子零件’絕對可以給他們帶來驚喜。”

分子穿梭機(jī)

我們現(xiàn)在看到的很多分子機(jī)器，其原型都可以追溯到1991年由化學(xué)家弗雷澤·斯托達(dá)特（Fraser Stoddart，2016年諾貝爾化學(xué)獎得主）所設(shè)計(jì)的一個略顯粗糙的分子器件。這個分子體系也就是今天我們常常會聽到的“輪烷”（rotaxane），由一個環(huán)狀分子和一個穿過此環(huán)狀分子空腔的鏈狀分子共同組成。鏈狀分子的兩端在結(jié)構(gòu)上具有較大的空間位阻，可以防止套在其中的環(huán)狀分子滑脫，在靠近兩端的地方還含有可與環(huán)狀分子發(fā)生鍵連作用的化學(xué)基團(tuán)。斯托達(dá)特在研究中發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀分子可以在鏈狀分子兩端的化學(xué)位點(diǎn)之間來回移動，由此他設(shè)計(jì)出了第一個分子級的短程穿梭裝置。

1994年，斯托達(dá)特改進(jìn)了他的設(shè)計(jì)，讓鏈狀分子的兩端分別帶有不同的結(jié)合位點(diǎn)，這一新的分子穿梭機(jī)在水溶液中試驗(yàn)成功。改變?nèi)芤旱乃釅A度，可以讓環(huán)狀分子在位點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)可逆的來回移動，使得該“穿梭機(jī)”在某種程度上變成了一種可逆型開關(guān)。這種可逆型開關(guān)在未來不僅可用于制造熱敏、光敏或是感受特定化學(xué)物質(zhì)的傳感器，還可用做體內(nèi)納米級藥物載體的開關(guān)，在正確的時間和地點(diǎn)釋放藥物。

斯托達(dá)特的分子開關(guān)具有兩個非常重要的特質(zhì)，這也正是分子機(jī)器的兩大特點(diǎn)：第一，環(huán)狀分子與鏈狀分子在位點(diǎn)結(jié)合的相互作用并不是高強(qiáng)度的共價鍵，而是帶正電區(qū)域與帶負(fù)電區(qū)域之間的靜電吸引作用。這種作用相對較弱，換句話說，環(huán)狀分子與鏈狀分子之間的結(jié)合可以隨時被打破與重建，就像雙鏈DNA間的氫鍵一樣。第二，斯托達(dá)特設(shè)計(jì)的分子“穿梭機(jī)”并不需要外在能量就能完成往復(fù)運(yùn)動：裝置運(yùn)行的驅(qū)動力來源于溶液中分子間的相互碰撞，也就是常說的布朗運(yùn)動。

在這之后，五花八門的分子開關(guān)層出不窮。有的是基于光或溫度的變化，有的則是通過結(jié)合溶液中特定的離子或分子來實(shí)現(xiàn)開/關(guān)，而后者的原理與細(xì)胞膜上的離子通道響應(yīng)外界化學(xué)信號來進(jìn)行開/閉的工作模式如出一轍。

然而，斯托達(dá)特卻在這股潮流中將他的研究引向了另一個方向。他與加州理工學(xué)院的詹姆斯·希思（James Heath）合作，用數(shù)百萬個輪烷制造出了一個三明治型的數(shù)據(jù)記錄裝置。這些輪烷被夾在硅電極與鈦電極之間，可在電信號的作用下從一種狀態(tài)切換到另一種，由此完成數(shù)據(jù)的記錄。這一“分子存儲器”長約13微米，可記錄16萬比特的信息，每比特對應(yīng)幾百個輪烷分子。這樣的存儲密度相當(dāng)于每平方厘米可存儲約100GB的數(shù)據(jù)，與目前最好的商用硬盤相比也毫不遜色。斯托達(dá)特的團(tuán)隊(duì)用該數(shù)據(jù)記錄裝置中最穩(wěn)定的24個比特單位，存儲并檢索出了“CIT”三個字母（加州理工學(xué)院的首字母簡稱）。但他的這一裝置并不結(jié)實(shí)，使用了還不到100次，就土崩瓦解了。一個可行的解決辦法是將它們加載到更堅(jiān)韌的多孔材料——金屬有機(jī)骨架材料（metal-organic framework，MOF）上。這種材料不但可以保護(hù)裝置，還可以通過有效的組織形成精確的3D陣列。

今年早些時候，加拿大溫莎大學(xué)的羅伯特·舒爾科（Robert Schurko）和斯蒂芬·勒布（Stephen Loeb）宣布，他們已經(jīng)可以在每立方厘米的金屬有機(jī)骨架材料中嵌入大約10^21個分子穿梭機(jī)。而就在上個月，斯托達(dá)特公開了另一種加載有“開關(guān)型輪烷”的金屬有機(jī)骨架材料。該材料與一個電極相連，通過改變電壓，可以讓全體輪烷分子同時完成開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

研究金屬有機(jī)骨架的專家希望這些結(jié)實(shí)的3D骨架能夠提供比傳統(tǒng)硅晶體管更高密度的分子開關(guān)，并且讓這些分子開關(guān)在轉(zhuǎn)換時更易控制，以便提供超強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲能力。“用科幻的眼光展望，我們希望讓每一個分子都可以存儲一比特的信息。”勒布說道，“但更現(xiàn)實(shí)的想法是讓一塊包含有上百個分子開關(guān)的金屬有機(jī)骨架材料存儲一比特的信息。只要骨架材料上大部分的分子開關(guān)都運(yùn)行良好，它們就可以用來有效地編碼數(shù)據(jù)。”

還有一些科學(xué)家利用輪烷來制造可切換型催化劑。2012年，戴維·利在其發(fā)表的文章中介紹了一種帶有氮原子的輪烷系統(tǒng)。氮原子位于鏈狀分子的中段，即環(huán)狀分子包圍著的位置。當(dāng)向該系統(tǒng)加入酸性溶液時，環(huán)狀分子會移向輪烷的一端，將中間的氮原子暴露出來。這時，氮原子就可以作為催化劑去催化某些化學(xué)反應(yīng)。而就在去年11月，戴維·利又將他的研究推進(jìn)了一步：他設(shè)計(jì)了一種含有兩個不同催化位點(diǎn)的輪烷系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)狀分子從一端移向另一端時，輪烷的反應(yīng)活性也會隨之改變，因此該系統(tǒng)可以用兩種不同的方式來處理體系中的分子混合物。戴維·利現(xiàn)在的研究目標(biāo)是模擬細(xì)胞中的酶——把多種不同的可切換型催化劑投放到同一個溶液體系中，利用它們各自的催化特點(diǎn)，使目標(biāo)分子能夠按照一定的反應(yīng)順序生成更加復(fù)雜的最終產(chǎn)物。

納米馬達(dá)

1999年，第一臺分子馬達(dá)的成功合成又將這一領(lǐng)域的研究向前推進(jìn)了一大步。分子馬達(dá)由費(fèi)林加的團(tuán)隊(duì)完成，含有兩個相同的“葉片”單元，葉片之間通過碳碳雙鍵加以固定。當(dāng)用大量的光能打破葉片間的化學(xué)鍵時，葉片便可以旋轉(zhuǎn)起來。尤為關(guān)鍵的是，葉片形狀經(jīng)過特別的設(shè)計(jì)，可以保證它們只繞同一個方向旋轉(zhuǎn)。因此，只要能提供合適的光能和熱能，這臺馬達(dá)便可以持續(xù)轉(zhuǎn)動。

費(fèi)林加用類似的分子馬達(dá)制造出了四輪驅(qū)動的納米車。在另一項(xiàng)研究中，他在液晶薄膜中摻雜了分子馬達(dá)，后者可以讓液晶薄膜產(chǎn)生足夠大的扭曲度，從而使放置在膜上的玻璃棒緩慢轉(zhuǎn)動。這根玻璃棒長達(dá)28微米，是馬達(dá)尺寸的上千倍。

有些化學(xué)家認(rèn)為，盡管分子馬達(dá)很酷，但最終并不會有什么實(shí)際用處。“我對這些人造馬達(dá)的應(yīng)用一直持懷疑態(tài)度。它們制造起來非常復(fù)雜，而且非常難以量產(chǎn)。”德國慕尼黑大學(xué)的化學(xué)家迪爾克·特勞納（Dirk Trauner）說道。然而，這些分子機(jī)器背后隱藏的化學(xué)原理可能會非常有用。基于相同的光切換機(jī)理，研究人員已經(jīng)開發(fā)出了大約100種類似藥物的化合物，光信號可以使這些化合物開始或停止發(fā)揮藥理活性。

今年7月，由特勞納領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就發(fā)布了一種光敏型康普立停A-4。這是一種有著嚴(yán)重副作用的強(qiáng)效抗癌藥，會無差別地攻擊腫瘤細(xì)胞以及相似的健康細(xì)胞，而特勞納團(tuán)隊(duì)制備的可切換型新藥能夠有效地減少這種副作用：當(dāng)藥物分子處于“關(guān)閉”狀態(tài)時，分子內(nèi)含有一個氮氮雙鍵，藥物在整體上并不具備活性。當(dāng)用藍(lán)光照射分子，打破氮氮雙鍵之后，雙鍵連接的兩部分會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使藥物分子重新產(chǎn)生活性。特勞納提到，如果利用柔性導(dǎo)管或是植入性裝置來傳遞光信號，這種靶向控制可以在僅僅10微米大小的人體組織內(nèi)實(shí)現(xiàn)。他的下一步工作，就是利用小鼠對這些新型化合物的抗癌效果進(jìn)行測試。

特勞納也希望這些光敏型化合物可以讓患有黃斑變性和色素性視網(wǎng)膜炎（這些疾病會破壞眼內(nèi)的視桿及視錐細(xì)胞）的人重見光明。“這是極易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)椴≡钗挥谘鄄浚悴恍枰獡?dān)心如何引入光信號。”特勞納說道。在去年的實(shí)驗(yàn)中，他向盲鼠的眼睛里注射了一種叫DENAQ的光敏型藥物分子，使盲鼠在幾天的時間里恢復(fù)了部分視覺（可以分辨白天與黑夜）。他的團(tuán)隊(duì)目前正嘗試把這項(xiàng)技術(shù)推廣到靈長類動物身上，希望在兩年之內(nèi)開展人體試驗(yàn)。

特勞納和克萊因都認(rèn)為，這項(xiàng)研究最主要的挑戰(zhàn)在于說服謹(jǐn)小慎微的醫(yī)藥行業(yè)，讓他們相信光敏型藥物有著巨大潛力，即便它們還沒有人體上的使用記錄。特勞納說：“一旦他們看清了這一領(lǐng)域的價值，我們的研究就能更好地開展下去。”

分子行走裝置

早在生物從海洋進(jìn)化到陸地上之前，細(xì)胞內(nèi)就已形成了一套可自行“行走”的細(xì)胞機(jī)器。一個經(jīng)典的例子就是具有雙叉形結(jié)構(gòu)的驅(qū)動蛋白——在進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)時，它可以沿著細(xì)胞內(nèi)的微管骨架移動。

受驅(qū)動蛋白的啟發(fā)，研究人員利用DNA分子構(gòu)建了一個人造行走裝置。這個分子行走裝置起先通過與互補(bǔ)DNA鏈的結(jié)合錨定在固定的軌道上。當(dāng)在體系中加入競爭性的DNA鏈后，分子行走裝置得以釋放并向前行進(jìn)一步。這一領(lǐng)域最激動人心的例子來自于紐約大學(xué)納德里安·西曼（Nadrian Seeman）于2010年公布的一項(xiàng)研究。他所設(shè)計(jì)的DNA行走裝置有四只“腳”和三只“手”，當(dāng)這一裝置繞著由折疊DNA鏈組成的方形結(jié)構(gòu)移動時，它可以利用自己的“手腳”搭載金納米顆粒。

DNA行走器的研究很快就擴(kuò)展到了其他實(shí)驗(yàn)室。但是，如果不給這些行走器安裝內(nèi)置的棘輪系統(tǒng)，使它們可以在必要的時候停下來向后走，那么這些行走器就只能漫無目的地四處游蕩。對于大多數(shù)分子行走器來說，棘輪系統(tǒng)可以通過控制固定或松開行走器“腿部”的化學(xué)反應(yīng)的相對速率來實(shí)現(xiàn)，而前進(jìn)的驅(qū)動力則可以通過布朗運(yùn)動的推力來提供。

在過去幾年中，詳細(xì)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和分子動力學(xué)模擬數(shù)據(jù)已經(jīng)證明，前文提及的“布朗棘輪”的概念正是所有化學(xué)驅(qū)動的分子機(jī)器以及很多生物馬達(dá)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。例如在2013年，密歇根大學(xué)安阿伯分校的化學(xué)生物學(xué)家尼爾斯·瓦爾特（Nils Walter）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就發(fā)現(xiàn)，剪接體（spliceosome）也是按照相同的機(jī)理工作的。剪接體是在遺傳信息被翻譯成蛋白質(zhì)之前，對RNA進(jìn)行一系列剪接修飾的一種細(xì)胞機(jī)器。“驅(qū)動蛋白正是使用的這樣的工作機(jī)制，核糖體也是，剪接體也是。”瓦爾特補(bǔ)充道。

上述研究表明，生物機(jī)器與人工合成的分子機(jī)器實(shí)質(zhì)上遵守著相同的法則。因此，兩個領(lǐng)域的研究人員可以在今后的工作中相互取長補(bǔ)短。“就目前來看，兩個領(lǐng)域在總體上還是相互獨(dú)立的，”瓦爾特說，“但我認(rèn)為如果兩個領(lǐng)域內(nèi)的研究人員能夠一起合作，下一個突破一定會到來。”

微米火箭

與此同時，受1966年風(fēng)靡全球的科幻電影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）中“微型醫(yī)療潛艇”的啟發(fā)，化學(xué)家們設(shè)計(jì)了一個由微米顆粒與導(dǎo)管組成的陣列，這個陣列系統(tǒng)在液體中可以像火箭一樣迅猛移動。

這些“微米火箭”的推動力有的來源于自身攜帶的催化劑，后者可利用周圍的液體（通常是過氧化氫水溶液）產(chǎn)生一連串氣泡；還有的則是直接利用光能或外加的電磁場來獲取能量，而且外加的電磁場還能起到控制方向的作用。“構(gòu)成‘微米火箭’的這些納米馬達(dá)每秒行進(jìn)的距離是自身長度的1 000多倍，這太讓人難以置信了！”加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師約瑟夫·旺（Joseph Wang）興奮地說道。他認(rèn)為該器件最具前景的應(yīng)用方向是藥物的快速釋放以及環(huán)境污染物的低成本清理。當(dāng)然，業(yè)內(nèi)的許多專家都謹(jǐn)慎地表示，現(xiàn)在就討論這些納米馬達(dá)的應(yīng)用是否會比傳統(tǒng)的方法更好還為時尚早。

然而，過氧化氫作為一種強(qiáng)氧化劑是不可能在人體內(nèi)使用的。約瑟夫·旺也坦率地表示：“如果所有的分子推進(jìn)裝置都建立在過氧化氫溶液的環(huán)境中，我們確實(shí)應(yīng)該對該領(lǐng)域的前景持懷疑態(tài)度。”但就在去年12月，他公布了一種適用于動物活體檢測的微米級馬達(dá)。它由一根長約20微米的塑料導(dǎo)管構(gòu)成，含有一個鋅質(zhì)的核。馬達(dá)的動力來自于鋅與胃酸反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣。

含有馬達(dá)的導(dǎo)管可以在小鼠的胃中安全推進(jìn)約10分鐘的時間。接下來的實(shí)驗(yàn)中，約瑟夫·旺用這些含有馬達(dá)的導(dǎo)管向小鼠胃部周圍的組織運(yùn)輸金納米顆粒。結(jié)果，喂食這些金納米顆粒－導(dǎo)管復(fù)合物的小鼠，其胃粘膜上的金含量要比直接喂食金納米顆粒的對照組高三倍。由此，約瑟夫·旺認(rèn)為，如果把藥物或成像劑裝到微米“火箭”上服用，可以讓它們更加快速而有效地到達(dá)胃組織內(nèi)部。“在接下來的五年內(nèi)，我們會將研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H的體內(nèi)應(yīng)用階段，”約瑟夫·旺說，“這真的會是一趟神奇旅程。”

目前，這些微米級火箭與分子機(jī)器的研究還鮮有交叉，但克萊因相信它們之間的聯(lián)系會越來越多。“比方說，在微型馬達(dá)的表面結(jié)合一個光敏型的分子開關(guān)就能為它的移動提供更好的控制。”克萊因建議道。

分子泵

在不斷追尋具有實(shí)際用途的分子機(jī)器的過程中，研究人員開始嘗試將不同的元件整合到一臺裝置上。今年五月，斯托達(dá)特公開了一種可以把兩個環(huán)狀分子從溶液中拉到存儲端的人造分子泵。環(huán)狀分子首先需要克服啞鈴型鏈狀分子一端的空間壁壘，與一個可切換的連接位點(diǎn)相結(jié)合。之后連接位點(diǎn)改變自己的結(jié)合狀態(tài)，迫使環(huán)狀分子被推開并跨過第二道壁壘，到達(dá)鏈狀分子的存儲端。

這個分子泵系統(tǒng)并不適用于其他類型的分子，而且它經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才制造成功。“還有很長的路要走啊。”斯托達(dá)特不無嘆息地說道。但他的發(fā)現(xiàn)至少證明分子機(jī)器可以用來濃縮分子，打破化學(xué)系統(tǒng)的平衡。在生物領(lǐng)域里，利用離子或是分子形成的濃度梯度來建立并存儲一定的勢能，這樣的事情屢見不鮮。“我們正在向生物系統(tǒng)學(xué)習(xí)如何制造一個分子棘輪。”斯托達(dá)特說。

斯托達(dá)特認(rèn)為，這一領(lǐng)域未來的發(fā)展應(yīng)該從兩方面入手：在微觀層面上，讓這些分子機(jī)器在分子尺度上完成那些不能用其他手段完成的任務(wù)；在宏觀層面上，利用數(shù)以萬億計(jì)的分子機(jī)器的集群效應(yīng)重塑材料形狀，或讓它們可以像蟻群一樣去舉起比自身重得多的東西。

也許符合斯托達(dá)特微觀層面構(gòu)想的典型例子就是戴維·利所設(shè)計(jì)的分子流水線。受核糖體的啟發(fā)，這個基于輪烷系統(tǒng)的流水線可以沿軸撿拾氨基酸分子，將它們添加到一個不斷增長的肽鏈上。但這個裝置的妙處還在于它能夠產(chǎn)生宏觀上的效果——1018個這樣的分子流水線在超過36個小時的時間里合成出了幾毫克的多肽。“你在實(shí)驗(yàn)室里花半小時內(nèi)沒辦法完成的事情，分子流水線也沒辦法完成。然而，這一流水線的出現(xiàn)表明，讓分子機(jī)器沿既定路線，將沿途分子收集到一起是可以實(shí)現(xiàn)的。”戴維·利解釋道。他現(xiàn)在正在研究其他類型的分子流水線，比如用于合成具有特定材料特性的高分子聚合物。

在宏觀層面上，如果數(shù)以億計(jì)的分子機(jī)器共同協(xié)作，確實(shí)能夠改變材料的某些宏觀性質(zhì)。比如能夠根據(jù)光或化學(xué)信號進(jìn)行伸縮的智能凝膠就可以用來制造可調(diào)節(jié)型鏡片或傳感器。“我敢打賭，在未來五年之內(nèi)，嵌入了分子開關(guān)的新型智能材料就會問世。”費(fèi)林加說。

類似的分子系統(tǒng)已經(jīng)開始進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。2012年問世的日產(chǎn)防劃iPhone手機(jī)殼就是以東京大學(xué)伊藤耕三教授的工作成果為藍(lán)本制造的：它所使用的材料由高分子鏈穿過數(shù)個環(huán)糊精分子之后再拗成“8”字型形成。普通聚合物涂層受到壓力時，高分子鏈間的連接會被破壞，由此產(chǎn)生劃痕。但在這種材料中，環(huán)糊精分子可以讓高分子鏈在受力時能平穩(wěn)地滑過而不被破壞。用這種材料制成的薄膜甚至可以讓手機(jī)屏幕在錘子的猛擊下不碎。

以上這些成果都意味著“分子建筑師”發(fā)明的分子部件已經(jīng)成熟到了可以應(yīng)用的階段。“這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)走過了漫長的道路，現(xiàn)在是時候向外界證明它們是有用的了。”斯托達(dá)特充滿信心地說道。

人物介紹

讓-皮埃爾·紹瓦熱（Jean-Pierre Sauvage）是法國配位化學(xué)家，1944年出生于巴黎，他在路易斯·巴斯德大學(xué)取得博士學(xué)位，現(xiàn)任法國斯特拉斯堡大學(xué)教授，研究領(lǐng)域主要為超分子化學(xué)。

J·弗雷澤·斯托達(dá)特（Sir J. Fraser Stoddart ）是英國合成分子化學(xué)家，1942年出生于愛丁堡，現(xiàn)任美國西北大學(xué)教授，他的研究專長為分子納米技術(shù)及均相催化。

伯納德·L·費(fèi)林加（Bernard L. Feringa ）是荷蘭合成有機(jī)化學(xué)家，出生于1951年，他于1978年在荷蘭格林羅根大學(xué)取得博士學(xué)位，現(xiàn)任格林羅根大學(xué)化學(xué)系教授、荷蘭科學(xué)院副院長。他的研究興趣包括立體化學(xué)、有機(jī)合成、非對稱催化、分子開關(guān)及機(jī)器、自組裝及分子納米系統(tǒng)。

本文來源：《科學(xué)美國人》中文版《環(huán)球科學(xué)》