分子迷你芯片 - 分子如何变身机器：化学与纳米之间的桥梁

　　后来斯托达特开发出了让他获得2016年度诺贝尔奖的分子，利用的正是分子间的互相吸引。1991年他的团队造出了一个开环，上面缺乏电子；还造出一根长棒（轮轴），这根轴上有两处富集电子（图3）。当这两种分子在溶液中相遇时，缺电子的那个就会被有电子的那个吸引，于是环被套进了轴上，接下来把环加以闭合，让环不会掉下来。于是他们以极高的产率得到了“轮烷”：一个环状分子以机械作用套在一个轴上。

　　接下来斯托达特利用了环能在轴上移动的特性。加热时，环会在轴的两个富电子部分之间前窜后跳——就像一个微型梭。1994年，他们做到了完全控制其运动，使得它不再像置于其他化学系统中那样只会自由随机移动。　

　　图3：斯托达特创造的“分子梭”，它以可控的方式在轮轴上移动

　　电梯，肌肉和迷你芯片

　　从1994年开始，斯托达特的研究团队就使用各种轮烷来建构多种分子机器，包括电梯（2004年，见图4），它可以将自己从表面上抬高0.7纳米；还有人造肌肉（2005），其中轮烷能把一块非常薄的金箔弄弯。

　　斯托达特还和其他研究者联手开发了一种基于轮烷的计算机芯片，能储存20kB的数据。现今计算机芯片中的晶体管已经十分微小，但是和轮烷基芯片一比都要算是巨型了。研究者相信分子计算机芯片能够像硅片晶体管当年那样，给计算机技术带来又一次革命。

　　

　　图4：斯托达特的“分子电梯”

　　索维奇也在探寻轮烷的潜力。在2000年，他的团队成功地将两个环形分子串到了一起，形成了一个弹性结构，有点像人的肌肉中的细丝（图5）。他们还造出了一种类似马达一样的东西，轮烷的圈在各个不同方向上交替旋转。对于分子机械工程来说，重要的目标是制造出一个能够在同一方向上持续旋转的马达。在1990年代，该领域的研究者们作出了许多不同的尝试，但是最先冲过终线的是荷兰人伯纳德·L·费林加。

　

　　图5：索维奇将两个分子环串在一起，这个结构可以拉伸和回缩。

　　费林加建造了第一个分子马达

　　和斯托达特相仿，费林加同样成长在农场里，被化学中无穷无尽的创造可能性所吸引。就如他在一次采访中所说：“也许化学的力量不在仅于理解，更在于创造，制造出前所未有的分子和材料……”

　　在1999年，当费林加建造出第一个分子马达时，他用了若干妙计使得它只朝同一方向旋转，并保持此方向不变。正常情况下，分子的运动是随机的，一个旋转的分子向左与向右转动的概率大体相同。但费加林通过机械构建，设计出了一种分子，让其只朝一个特定方向旋转（图6）。

　　

　　图6：当费林加创造出第一个分子马达时，它的机械构造被设计成向特定方向旋转的样子。他的研究小组已经对马达进行了优化，现在它的转速达到了每秒1200万。

　　分子由两个小旋翼叶片般的结构组成，它们是两个平面的化学结构，由一对碳碳双键连接。每个叶片分别与一个甲基相连，它们和叶片一起如同棘轮般运作，迫使分子朝同一方向转动。当分子被暴露在紫外线脉冲下时，一个旋翼叶片围绕中心的双键翻跃了180度。接着，棘轮运转到位。当下一束脉冲到来时，叶片又再翻跃了180度。这个过程不断重复，分子就一圈圈按照相同方向旋转。

　　第一个分子马达的速度并不快，但费林加的研究组对其进行了优化。在2014年，马达的旋转速度达到了每秒1200万转。2011年时，研究组还制造了一个四轮驱动纳米车，一个分子底盘将四个马达联结在一起，当作车轮使用。当车轮旋转时，纳米车就在表面上向前行驶。

　　

　　图7：费林加的四轮分子车。

　　转动小玻璃圆柱的分子马达

　　在另一个激动人心的实验中，本·费林加的研究团队用分子马达转动了一个28微米长的玻璃圆柱（比分子马达本身大10000倍）。在实验中，他们将马达纳入液晶（一种具有晶体结构的液体）中。大概只有1%的液晶里有分子马达，然而，当研究者开始让它们转动时，马达的旋转改变了液晶的结构。当研究者将玻璃圆柱放到液晶上时，它也开始因马达的旋转而旋转。

　　可用于构建的分子工具箱

　　让-皮埃尔·索维奇、弗雷泽·斯图达特和本·费林加开创出了分子机器发展的道路，因此诞生的一系列化学结构，成了全世界研究者用来进一步创作的工具箱。其中最令人震撼的例子是一个可以抓取并连接氨基酸的分子机器人。它是2013年以轮烷为基础建造出来的。

　　其他研究者已经在将分子马达与长聚合物相连，从而使之形成精细纠缠的网络。当分子马达照到光时，它们就会将聚合物缠绕成混乱的一捆。通过这种方式，光能就被存储在分子中。假如研究人员能找到办法来重新利用这些能源，就能开发出一种新电池。当马达缠起聚合物时，这种材料还会缩小，因此可以开发成受光控制的传感器。

　　远离平衡——迈向全新而充满活力的化学

　　这些研究进展之所以能获得2016年的诺贝尔化学奖，很重要的部分原因在于研究者驱动着分子系统远离所谓的平衡态。所有的化学系统都会力图达到平衡——一种低能量状态——但这也是种僵局。我们可以举出生命这个例子。当我们进食时，人体内的分子从食物中汲取能量，推动我们的分子系统远离平衡，去向更高能量的状态。生物大分子随后再用这些能量来推动必不可少的化学反应，这样身体才能存活。假如身体处在化学平衡态，我们就死得不能再死了。

　　和生命分子一样，索维奇、斯托达特和费林加的人造分子系统能执行受控任务。化学因此向着全新世界迈出了第一步。时间已经清楚无误地显示出微型化对计算机科技有多大的革命性作用，而我们才刚刚看到微型化改变机械的第一阶段而已。从发展的角度看，现在的分子马达就相当于1830年代的电动马达，那时的研究者会在实验室里骄傲地展示各式各样的旋转曲柄和动轮，而丝毫不知这些东西将导向电动火车、洗衣机、风扇和食物料理机。

　　因此，费曼富有远见地演讲完32年后，我们仍然只能猜想我们面前有着多么令人激动的发展。但我们终于能明确回答他最初提出的那个问题——你能做出多小的机械？至少比头发丝直径小1000倍。