前沿科技解读丨分子机器到底有什么用？

分子机器到底有什么用

文/汪宇飞

2016年诺贝尔化学奖揭晓，爆冷颁发给了分子机器的研究推进者。为何锂电池的先驱者足够好（Goodenough）先生再次与诺奖擦肩而过，为何评委会对分子机器有如此高的评价，这背后究竟有什么样的内幕，分子机器到底有哪些价值，让我们来一探究竟吧。

分子机器

了解分子机器，首先从机器的概念开始入手，搜索维基百科的词条的话，机器是一件利用能量达到以特定目的的工具装置或者设备。分子机器则指吸收能量后能够按照设计完成人类指定动作的分子。

今天所说的分子机器主要是指的人工分子机器。自然界中分子机器早就存在，最常见的应该就数人体内的ATP合成酶。ATP酶在体内细胞膜内外离子浓度差驱动力的作用下，旋转并且最终完成葡萄糖化学能到ATP化学能的能量转化过程。大自然的造物鬼斧神工，自然界中的分子机器并不能通过化学合成之类的人工手段直接复制得到。人类从飞鸟身上获取灵感制造飞机，但是飞机却完全看不到一点飞鸟的特征。而现在实验室的科学家们也试图从自然界中的分子机器中获取灵感而人工合成具有自然界分子机器某一些特征的小分子也就是所谓的人工分子机器。

人工合成分子机器的前世今生

1、首先向一个与金属离子相互作用的环状分子里面引入一个同样可以与金属相互作用的长链分子。一般来说与金属相互作用的地方再长链分子的中间部位。

2、当长链分子与环状分子能够同时与金属离子相互作用，我们就得到了左图这样一个含有半开放环的分子

3、这个时候再通过引入一段新的分子将开放的环链接起来成为闭合的环。

4、这样就得到了一个最简单的分子锁链。

在Sauvage教授后期的研究中，他通过改变分子周围的环境，改变分子锁链中间的金属离子的化合价，让锁链可以进行交错运动，真正满足了分子机器的概念。这项研究为分子机器的开发奠定了基础。

1991年，Stoddart教授合成出了有一个中心轴的分子机器，并且在之后的研究找到了如何让环沿着中心轴滑动的办法。

Stoddart教授的课题组以这个分子模板为基础，开发了一系列的分子机器，包括大名鼎鼎的分子电梯和分子泵。

在1999年，Feringa教授和他的课题组们在Nature上发表了他们的研究成果。他们设计了一个特殊的分子，通过改变条件使得分子能够沿着轴旋转。这是人类历史上第一个人工合成的分子马达。

▲分子马达分步运动示意图

类似普通的发动机有四个冲程，分子马达的运动也由四个部分来组成。

图中所表示的是分子马达的分步运动示意图。从左上角的分子开始，在-55℃温度下向分子照射波长为280 nm的射线，左上分子会扭动变成右上的结构。右上的分子从-55℃升温到20℃的话则会变成右下的结构，可以看到上方的蓝色部分和红色部分的前后位发生了改变。接着照射280 nm射线，右下的分子则会发生扭转变成左下的结构，此时再次升温至60℃，蓝色和红色部分再次摆动分子重新变成左上最初的结构，完成一次360度旋转。以这项研究为基础，Feringa的实验小组继续开发了分子齿轮等小分子机器。

2005年Tour教授在NANOLetters杂志上介绍了世界上第一辆纳米汽车，并通过电子显微镜成功观察到其在金制跑道上运动。这标志着人类在研究微观机械的领域内迈出了一步新台阶。

2016年的诺贝尔化学奖极大刺激了化学研究者对分子机器的开发研究。2017年4月，来自三个大洲的六只赛车队伍在法国南部参加了一场特殊的赛车比赛。这次的比赛没有豪车，比拼的是分子的速度，所有的参赛队伍带着自己研发的纳米汽车在近36小时里在100纳米（大概是人头发宽度的千分之一）的金制跑道上相互竞速争夺第一届天下第一分子汽车竞速大赛的冠军宝座。本次比赛冠军由美澳队（29小时内向前行驶了1微米），和瑞士队（在6.5个小时内行驶了133纳米）并列获得了冠军。值得注意的是，包括德国大众、丰田、法国雪铁龙等真正的汽车厂商也赞助了此次比赛，可以看出投资者们对纳米车技术充满信心。

分子机器又将往哪里去

虽然科学家们成功合成出了分子锁链，分子电梯，分子汽车等小分子机器，但是对于分子机器的用途方面，仍然在探索之中。这也就是今年诺贝尔奖被称“爆冷”的原因。Sauvage教授则对分子机器在能源材料方面的应用抱有期待。科学家计算过分子机器的能量转化效率，得出了分子机器的能量转化能力可能超过任何传统意义上的机械，逼近百分之百。激发分子机器运动，然后再将转化出来的能量拦截储存下来，也许就是对抗能源危机的钥匙。Stoddart教授的研究着重于能够人工将目标分子定向送入细胞的某一点。分子电梯技术成熟之后也许能够做到将药物定向输入癌细胞达到有效治疗癌症的目的。Feringa教授在演讲时说道，人类的身体组织就是由无数分子机器所组成的，比如眼睛受到光线刺激之后，眼内的分子从卷曲的形状变成直线型状，然后向脑内发射信号，这样我们便能够看到对方。仿生类分子机器的研究也许是失明患者重见光明的希望。

分子机器离生活或许还远，但已经实实在在的在科研方面发挥了重要的作用。例如跟利用分子机器去测定分子与分子之间弱相互作用力的影响。研究分子与分子间的弱相互作用力对研究生物蛋白质的结构变化以及化学“超级大分子”的合成有重要的意义。一直以来科学家们一直希望能找到某种现象来能够衡量弱相互作用力的大小。而弱相互作用力的研究对象过于微观，研究起来极为困难，而分子机器的应用使得研究弱相互作用力变得简单。美国南卡罗莱纳大学的Shimizu教授，设计了一组能够折叠和扭曲的分子，来测试了一系列溶液分子跟苯环的相互作用力。

▲Shimizu教授设计的分子机器

分子机器获得诺贝尔奖虽然意外但也在情理之中，分子机器的出现使得化学与更多学科产生了交叉，其结果是爆炸性的。虽然我们不知道当一个机械缩小成一个分子之后能够给人类生活带来什么变化，但我们可以猜测到未来会因为分子机器在微观世界打开一片新天地，然而我们却不能想象这片天地有多么宽广。