我們生活中充滿著機器，機器接管世界的想法已不僅僅是小說中的內容，它已經發(fā)生了。目前的機器都是相對較大的，但許多科學家想要小得多的機器：用分子制造機器。微型機器可以改變從醫(yī)學到材料科學的一切事物，分子過程在其中發(fā)揮著重要作用，然而在微觀尺度上控制運動需要一些物理、化學知識。
機器基本上是任何將一些能量輸入至少一個運動部件的設備，每個運動部件都有不同的功能。這些部分結合在一起產生有用的運動作為輸出，這被稱為做功。使機器更小有一些明顯的優(yōu)勢，比如能夠更輕松地運輸它們使它們移動得更精確。1959年，物理學家理查德·費曼談到了“在小范圍內操縱和控制事物的問題”，其中的“小范圍”就是由一個或幾個分子組成的機器。
二十年后，納米技術先驅埃里克·德雷克斯勒偶然發(fā)現了費曼關于機器講座的抄本。他進一步發(fā)展了一些想法，并于1981年發(fā)表了一篇名為《分子工程》的論文。德雷克斯勒想象分子大小的機器可以在原子尺度上操縱化學過程的反應物，甚至可以從分子中構建新材料。這將是巨大的突破！想想過去幾十年工程師如何設法縮小電子元件，將建筑物大小的計算機變成手機?？s小機械部件可以開啟類似的革命，但建造納米級機器所面臨的挑戰(zhàn)與之前所遇到的截然不同。
在分子尺度上，機器的行為不會像我們在日常規(guī)模上所習慣的那樣，如果沒有精心設計，分子的“螺母”和“螺栓”就無法輕易擰開。分子間存在著范德華力，它們吸引到一起的影響比摩擦對普通螺母和螺栓的影響要大得多。另一個問題是，讓分子機器的組件按照你想要的方式移動會比較棘手，附近分子的熱運動（噪聲）也可能使組件隨機移動。最后，大多數分子通過化學鍵連接在一起，有不同種類的化學鍵，它們往往都相當剛，不允許兩個部件之間自由運動，而機器通常依賴部件之間的相對運動。
索烴
因此，要建造分子機器，工程師必須要弄清楚如何利用所謂的機械鍵。在機械鍵中，分子的形狀將它們互鎖在一起，互鎖的兩個分子之間沒有共價鍵的結構，但只有破壞其中一個分子的共價鍵才能破壞分子間的機械鍵，使它們完全分離。早在1960年代，科學家就已經創(chuàng)造了這樣的連接分子，它們被稱為索烴。但它們很少見，而且很難生產用于科學研究，更不用說任何實用的東西了。
直到1983年，法國化學家讓-皮埃爾·索瓦日有了一個意想不到的發(fā)現。索瓦日最初是在研究由紫外線驅動的化學反應，其中一個過程涉及將自身附著在銅離子的C形分子。在對反應進行建模時，他意識到通過調整方法，他可以從這些分子中產生比以往更多的索烴。
訣竅是讓銅離子與環(huán)狀分子的內部相結合，然后一個C形分子可以穿過環(huán)并附著在同一個銅離子上。在合適的環(huán)境中，另一個C形分子可以與第一個分子化學鍵合形成一個互鎖環(huán)，最后再把銅離子彈出。這樣我們就得到了一個機械鍵結構中的兩個分子環(huán)。這些環(huán)可以相對于彼此自由旋轉，就像機器一樣。索瓦日甚至將這一過程擴展到制造打結的化學品和更復雜的鏈。
1994年，索瓦日團隊找到了一種方法，使用帶有夾層銅離子的索烴讓一個環(huán)圍繞另一個環(huán)轉了起來。因為環(huán)并不均勻，如果離子的電荷發(fā)生了變化，它們會調整到更穩(wěn)定的電學位置。因此，當該銅離子在化學反應中心被剝離電子時，其中一個環(huán)將旋轉180度；如果銅離子重新捕獲電子，它就會再扭轉回來。如果我們想要制造帶有旋轉部件的分子機器，掌握這種運動真的很重要。
輪烷
大約在同一時間，英國化學家弗雷澤·斯托達特在不同的化學機制上取得了進展，他制造出了一種稱為輪烷的分子機器。早在1991年，斯托達特團隊就制造了一個缺少電子的幾乎閉合的原子環(huán)。它們還制造了一個棒狀分子，該分子具有兩個富電子位點和龐大的硅基端蓋。當把它們放在一起時，靜電引力使環(huán)連接到棒上，在那里發(fā)生化學反應把環(huán)給關閉了。
雖然帶正電荷的環(huán)被吸引到軸上帶負電荷的位置，但它并沒有通過化學鍵連接得更緊。此外，環(huán)還可以在軸上兩個帶負電荷的點之間跳躍，而龐大的硅基端蓋則阻止它掉落出去。利用這種原理，他們制造了一種可以將自身抬高幾納米的分子電梯。
不斷旋轉
索瓦日的環(huán)可以響應輸入而旋轉，但不能像電機一樣提供連續(xù)的、受控的輸出。然而，在1999年，荷蘭化學家伯納德·費林加的團隊實現了這一目標。他們開發(fā)了一種雙面分子，其作用有點像電機葉片。正如我們前面所提到的，熱噪聲使得控制分子組件的移動方式變得棘手，但費林加的分子是基于兩個甲基基團，這些甲基基團被設計成只能繞一個方向旋轉。每次紫外光脈沖撞擊其中一個甲基時，它都會吸收光并將其轉化為動能，然后圍繞軸旋轉。
2011年，費林加和他的團隊更進一步，使用這種技術制造了一輛帶有四個旋轉輪子的納米汽車。
索瓦日、斯托達特和費林加使用巧妙的設計和特殊的環(huán)境，來解決我們在使用基本的分子機器時所遇到的問題。在2016年，他們的努力獲得了諾貝爾化學獎。
