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一臺分子“納米汽車”沿著金屬表面穿行。圖片來源：Karl-Heinz Ernst

  這或許是來自一家高科技工廠的一幕，只是這條流水線只有幾納米長。

  機器人沿著軌道緩慢移動著，并且有規律地停頓，以便伸出小心翼翼地將組件撿起來的手臂。手臂將組件連接到機器人后背上的精細構造，然后機器人向前移動并且重復這一過程——根據精確的設計，有條不紊地將零部件串在一起。

  這或許是來自一家高科技工廠的一幕，只是這條流水線只有幾納米長。組件是氨基酸，產品是小肽，由英國曼徹斯特大學化學家David Leigh創建的機器人則是曾經設計出的最復雜的分子級機器。

  這并非個例。Leigh是日益增多的分子“建筑師”隊伍中的一員。他們受到啟發，模擬在活體細胞中發現的像機器一樣的生物分子。過去25年里，這些研究人員設計出一系列令人印象深刻的開關、棘輪、發動機、推進器，甚至更多——就像它們是納米尺度的樂高部件一樣，能被集成在一起成為分子機械。與此同時，多虧了分析化學工具和使建造大型有機分子更加簡單的反應的改進，進展正在加速。

創建分子梭

  很多今天的分子機器都可追溯至一個由目前在美國西北大學就職的化學家Fraser Stoddart于1991年建造的相對簡單的設備。那是一個被稱為輪烷的組合體，其中環狀分子被一個“軸”穿過，而“軸”是兩端均由體積較大的“塞子”堵住的線性分子。這個特殊的“軸”所包含的是在鏈的每一端能綁定到環狀分子上的兩個化學基團。Stoddart發現，環狀分子能在這兩個點之間來回移動，從而創建了首個分子梭。

  1994年，Stoddart改進了設計，使得“軸”擁有兩個不同的結合位點。分子梭存在于溶液中，改變液體的酸度則能迫使環狀分子從一個地點移動到另一個地點，從而使分子梭成為一個換向開關。類似的分子開關也許有朝一日能被用于對熱、光或特定化學物質作出響應，或者打開納米尺度集裝箱“艙口”以便將載有藥物分子的“貨船”在適當的時間運送到人體內位置正確的傳感器上。

  同來自加州理工學院的James Heath一起，Stoddart利用上百萬個輪烷制造出存儲設備。夾在硅和鈦的電極之間，輪烷能通過電流切換從一個狀態變為另一個狀態，并且被用于記錄數據。這種分子“算盤”約有13微米寬，并且包含16萬比特，而每一比特都由幾百個輪烷構成——密度約為每平方厘米100吉比特，可同今天最好的商業化硬盤驅動器相媲美。

  不過，“開關”并不是很給力，通常在不到100次循環后便會散架。一種可能的解決方法是將它們裝載入被稱為金屬有機骨架（MOF）的堅硬、多孔晶體中。今年早些時候，來自加拿大溫莎大學的Robert Schurko和Stephen Loeb證實，他們能將約1021個分子梭打包裝進1立方厘米的MOF中。上個月，Stoddart公開了一種不同的MOF，其中包含有開關控制的輪烷。這種MOF被安裝在電極上，而輪烷能通過改變電壓一起被開啟或關閉。

納米發動機

  1999年，在早期的分子梭和開關試驗之后，該領域隨著首個合成分子發動機的創建而向前邁進了一大步。分子發動機由荷蘭格羅寧根大學化學家Ben Fering領導的團隊建造，是一個包含由碳—碳雙鍵連接在一起的兩個相同“船槳”元件的單個分子。研究人員將“船槳”固定在某個位置，直到一束光將部分化學鍵打破，使“船槳”得以旋轉。至關重要的是，“船漿”的形狀意味著它們只會朝一個方向轉，而且只要有光和一些熱量的供應，發動機將會保持旋轉。

  Feringa繼續利用類似的分子發動機創建了四輪驅動的“納米汽車”。他還證實，發動機能為液態晶體提供足夠的旋轉力，從而使發動機上面的玻璃棒緩慢轉動。玻璃棒有28微米長，是發動機大小的幾千倍。

  一些化學家認為，盡管這些發動機很可愛，但最終將一無是處。“對于人造發動機，我一直有所懷疑——它們太難制造，也很難按比例擴大。”德國慕尼黑大學化學家Dirk Trauner表示。

  不過，它們背后的化學原理可能確實很有用。利用相同的光激活機制，研究人員開發出約100種能根據對光的響應開啟或關閉的類藥性化合物。

  Trauner和以色列魏茲曼科學研究院化學家Rafal Klajn認為，主要的挑戰將是說服行事謹慎的制藥行業，使其相信這些光控藥物有著很大潛力，即使它們并未在人類中有過追蹤記錄。“一旦他們看到了價值，我們將會處于很好的狀態。”

兩個不同發展方向

  在對打造能真正做一些有用事情的分子機器的求索中，研究人員正開始將一些不同的組件集成到單一設備中。今年5月，Stoddart公布了一種可將兩個環狀分子從溶液中“拉”出來放到存儲鏈上的人造分子泵。每個環狀分子套在位于鏈一端的“塞子”上，并且被有開關控制的結合點吸引。轉動開關能推動環狀分子跨越存儲鏈更遠處的第二道屏障，而環狀分子在此到達等候區。

  這一系統無法傳送任何其他類型的分子，并且經過反復嘗試修正才得以建造成功。“這是一條漫長的道路。”Stoddart感嘆說。不過，它證實分子機器能被用于集聚分子，并且以和生物學迫使離子或分子形成濃度梯度創造豐富的潛在能量相同的方式，推動化學系統進入非平衡態。“我們正在學習如何設計能量棘輪。”

  Stoddart同時表示，此類成果能使該領域朝兩個主要方向發展：保持在納米尺度下賦予這些機器一些無法通過任何其他方法實現的分子級任務；或者往宏觀方向發展，同時利用上萬億臺機器改造材料或移動大量貨物，就像一大群螞蟻那樣。

  或許，納米方法的最好例子是Leigh的分子流水線。受到核糖體啟發，它基于將來自“軸”的氨基酸撿起并添加到不斷增長的肽鏈中的輪烷系統。不過，這一設備或許有著宏觀上的應用。在36個小時內，1018臺共同工作的設備能產生幾毫克的肽。“它無法做那些你在實驗室里半個小時內做不出來的事情。”Leigh說，但它證實，你可以擁有一臺沿著軌道向下移動、將分子“積木”撿起并且組合在一起的機器。目前，Leigh正在致力于開發其他版本的機器，以制造用于量身定制的具有材料屬性的鏈段化聚合物。

  相反，上萬億臺共同工作的分子機器也能改變宏觀世界中的材料屬性。例如，根據對光或化學物質所作出響應而膨脹或收縮的凝膠，能扮演可調節鏡頭或傳感器的角色。“在接下來的5年里，我敢打賭你將會得到第一批包含了開關的智能材料。”Feringa說。