李劍龍

有沒有可能制造一種機器，僅僅由幾個分子相互連接形成？由于機器的各個部分之間既要能相互運動，又要緊密連在一起不能散架，所以，從化學(xué)的角度來講，這就需要分子之間形成一種新的機械鍵，而不是像塑料的成分聚乙烯那樣，由小分子通過共價鍵聚合成一個新的大分子。

在20世紀(jì)50-60年代，一些化學(xué)家試著將一些環(huán)狀分子相互連接起來，形成一個鎖鏈。這可以視為制造分子機器第一步?？墒钱?dāng)時他們使用的方法過于復(fù)雜，化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)率也非常小，因此進展有限。

1983年，法國化學(xué)家讓-皮埃爾·索維奇（Jean-Pierre Sauvage）利用一種“借雞下蛋”的方法解決了這個難題。他先利用銅離子吸引了一個環(huán)狀分子和一個半月形分子，然后利用化學(xué)手段將另一個分子“焊接”在了半月形分子上，使它們和環(huán)狀分子扣在一起，恰好形成鎖鏈的一個環(huán)扣結(jié)構(gòu)。最后，索維奇再將夾在中間的銅離子移走。利用這種方法，索維奇將化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)率提高到了驚人的42%。

1994年，索維奇學(xué)會了構(gòu)建一種叫做“索烴”的互鎖結(jié)構(gòu)，并讓其中的一個環(huán)在能量的驅(qū)動下，能夠繞著另一個環(huán)轉(zhuǎn)動。這已經(jīng)是分子機器的雛形了。不過在我們的印象中，機器中更常用到的是輪軸結(jié)構(gòu)，而這項工作在同一年中由英國化學(xué)家J·弗雷澤·斯托達特爵士（Sir J. Fraser Stoddart）完成。

斯托達特以極高的產(chǎn)率得到了一種“輪烷”，也就是將一種環(huán)狀分子以機械作用套在一根軸上。加熱的時候，環(huán)狀分子還可以沿著軸的方向在兩個位置上前后移動，宛如一個分子梭。在之后的幾年中，斯托達特用輪烷陸續(xù)研究出了分子電梯、分子肌肉和分子“計算芯片”。索維奇利用輪烷還制造了一種類似于馬達的能轉(zhuǎn)動的分子。不過，第一個成功研制了真正的分子馬達的人是荷蘭化學(xué)家伯納德·L·費林加（Bernard L. Feringa）。

1999年，費林加巧妙地在兩個分子上連上了兩個甲基，使它們像棘輪一樣相互咬合，只能朝一個方向轉(zhuǎn)動。這樣，用紫外光照一次，分子就會沿著中心轉(zhuǎn)半圈，但不會倒轉(zhuǎn)回來。半圈半圈地轉(zhuǎn)下去，就形成了一個分子馬達。經(jīng)過多年優(yōu)化，費林加的分子馬達最快可以達到每秒1200萬轉(zhuǎn)。2011年時，費林加將4個分子馬達裝在了1個分子底盤上，造出了一個能在高度光滑的金屬表面前進的分子車。利用這樣的馬達，費林加的團隊成功地驅(qū)動了一個比馬達大1萬倍的玻璃圓柱。

這些研究都還很基礎(chǔ)，用費林加的話來說，就像一百多年前萊特兄弟發(fā)明飛機時一樣，看不出有什么作用。但其中蘊藏著巨大的機會，就好比后來人類發(fā)明了波音飛機和空中客車。萊斯大學(xué)的化學(xué)家詹姆斯·圖爾（James M. Tour）猜測，分子機器可能最先用于制藥，例如我們可以用一種分子機器打開細胞膜，向細胞中輸送藥物。

由于在分子機器方面的開創(chuàng)性貢獻，索維奇、斯托達特和費林加分享了2016年諾貝爾化學(xué)獎。