眠眠

2016年的諾貝爾獎重磅揭曉，三名科學家——弗雷澤·斯托達特、讓-皮埃爾·索瓦日和伯納德·費林加聯(lián)合獲得了諾貝爾化學獎。說到他們?nèi)怂龅难芯?，是一種細微至極卻又功能多樣的尖端科技——分子機器。也許大家對于這個名詞略感陌生，但它卻代表著科技小型化的潮流，而且勢必將引發(fā)一場全新的技術(shù)革命。

分子造機器的靈感來源

機器的發(fā)明，可謂是人類歷史上改變生產(chǎn)力的重要一步。各式各樣的機器，可以協(xié)助我們完成無數(shù)任務(wù)。幾千年來，機器也隨著人類技術(shù)水平的發(fā)展而不斷進步，表現(xiàn)在機器不僅需要實現(xiàn)某項功能，還要求尺寸小，就比如手機、筆記本電腦等我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷漠a(chǎn)品，在“瘦身”的路上已行走多年，且仍在繼續(xù)。而如今分子機器橫空出世，或?qū)⑹侵圃鞓I(yè)史上一場新的技術(shù)風暴。

那么，什么是分子機器？所謂分子機器，是指由不同數(shù)量的分子所構(gòu)成，并能在適當?shù)耐獠孔饔孟?，?zhí)行不同動作的一種微小機器。它的概念是1965年諾貝爾物理學獎的獲得者、赫赫有名的理查德·費曼提出的。早在1959年的美國物理學會年會上，費曼就做出了一個意義深遠的預(yù)言：“未來，我們或許能用分子制造出含有多個活動部件的機器，這種機器小到只有用電子顯微鏡才能看到，我預(yù)言在25年到30年內(nèi)，這種分子機器會獲得實際運用，但最初會運用在什么機器上，我還無法確定?！彼岢隼梦⑿头肿又圃忑X輪裝置的創(chuàng)造性概念，也成為了后人研究分子機器的靈感來源。

你知道嗎？

理查德·費曼從24歲就開始了對量子電動力學的研究，直到他后來發(fā)現(xiàn)了量子電動力學的一個理論，這個理論是以理查德·費曼的名字命名的，這也讓理查德·費曼獲得了諾貝爾物理學獎。其實，理查德·費曼因還是世界上第一個提出納米概念的人，雖然他曾經(jīng)提出過納米技術(shù)，但是他并沒有因為納米概念獲得諾貝爾物理學獎，真正讓他聲名大噪的還是量子電動力學這門學科。

分子機器的最大特點——小

分子機器最大的特點就是“小”。它們到底能有多小呢？答案是小于納米級，換句話說，尺寸還不到一納米。如果這個答案還不夠形象的話，那么一根頭發(fā)絲的千分之一粗細，大概就是它的真實大小了。

由于尺寸很小，因此分子機器所需要的能耗也非常低，僅僅憑借熱能和化學能就能輕松地驅(qū)動它們。而組成它們的基本單位是蛋白質(zhì)等有機分子，因此分子機器還可以靈活自如地進行組裝。組裝的過程也可以由這些分子自己完成，還可以做到準確而高效。

分子機器的誕生

說到分子機器的發(fā)明史，的確和諾貝爾獎的三名獲獎?wù)呦⑾⑾嚓P(guān)，他們相繼為它的誕生開辟了道路——

第一步：組裝

制造分子機器的第一步，是由法國人索瓦日在1983年邁出的，他成功地將兩個環(huán)狀分子連結(jié)在一起，形成了一個鏈狀的“交環(huán)烷”分子。我們知道，分子中的原子通常會以共享電子的方式，形成分子作用強大的共價鍵。然而“交環(huán)烷”中的原子，卻能與分子作用比較微弱、但卻相對自由的機械鍵連結(jié)。

這樣做的好處，就是讓分子零件能夠像一部真正的機器那樣運作，各個零件都可以自如地進行相對運動。再打另外一個比方，這種“交環(huán)烷”就像人類的關(guān)節(jié)一樣，可以讓肢體靈活地運動。

第二步：轉(zhuǎn)起來

美國西北大學的斯托達特教授接手了分子機器發(fā)明的第二棒。他在1991年研發(fā)出了一種叫做“輪烷”的東西。名如其物，它的實質(zhì)就是將一個“交環(huán)烷”分子，纏繞到另一個啞鈴狀的線形分子軸上，從而讓它可以繞著軸運轉(zhuǎn)。分子輪軸所引發(fā)的進步，就好比人類文明創(chuàng)造出了輪子一樣：有了它，我們就可以實現(xiàn)各種輪軸形式的運動。

利用分子輪軸，斯托達特還研發(fā)出了一種可以讓整體爬升0.7納米的“分子電梯”，一種充滿力量，可以折彎黃金薄片的“分子肌肉”，以及一種利用蛋白質(zhì)分子搭建而成，可以儲存20KB數(shù)據(jù)的電腦芯片。這些腦洞大開的創(chuàng)造，證明了分子機器領(lǐng)域有著無窮無盡的潛力。

第三步：動起來

“分子馬達”的發(fā)明，為分子機器的成功問世添上了最后一塊磚。它的創(chuàng)造者，是荷蘭格羅寧根大學的費林加教授。1999年，費林加設(shè)計出了一種看起來很像電風扇葉片的“分子轉(zhuǎn)子葉片”。通常情況下，分子的運動方向是隨機的，其逆時針或是順時針旋轉(zhuǎn)的概率大致相等。但費林加琢磨出了一種精巧的設(shè)計，使葉片可以在紫外線脈沖的照射下，持續(xù)地向一個特定方向旋轉(zhuǎn)，形成一部穩(wěn)定可靠的“分子馬達”。

利用“分子馬達”，費林加在后續(xù)的實驗中成功地令一個28微米長，尺寸是馬達本身一萬倍的玻璃氣缸旋轉(zhuǎn)起來。那一刻，他完全可以自豪地說：“給我一臺分子馬達，我可以讓世界轉(zhuǎn)動?！苯酉聛恚掷靡慌_優(yōu)化后每秒可達1 200萬轉(zhuǎn)的“分子馬達”，開發(fā)出了一部“納米汽車”，徹底奠定了分子機器的誕生。

小身材 大用途

通過上述步驟制作出來的分子機器，別看它們尺寸小，這些小家伙可以像身邊的大機器一樣工作，甚至實現(xiàn)大機器無法完成的功能。譬如說，憑借它們的小身材，可以來去自由地進入人體，定點圍剿那些可惡的病毒，或是向癌細胞發(fā)動集火攻擊。以往那些令我們束手無策的絕癥，很可能在這些小衛(wèi)士的幫助下被攻克。

此外，科學家們還發(fā)現(xiàn)，分子馬達可以與一些化合物相接觸，從而構(gòu)造成一張精密又相互糾纏的網(wǎng)絡(luò)。當用光源照射分子馬達后，它們就會快速地纏繞在一起，通過這種奇妙的方式，光能就可以被存儲在分子當中。如果能夠?qū)⑺鼈冎匦禄謴?fù)的話，就可以開發(fā)出一種極其微小的光能電池。那時，或許我們就再也不必為手機耗電太快而煩惱了。

回首往昔，當?shù)谝患茱w機剛被創(chuàng)造出來的時候，人們不屑地質(zhì)疑萊特兄弟：“它們能有什么用處？”沒想到一個世紀過去后，龐大的航空業(yè)早已是人類交通不可或缺的組成部分。同樣地，分子機器的發(fā)明雖然還只是實驗室中的“雕蟲小技”，然而假以時日，這貌似不起眼的“小玩意兒”卻可能引領(lǐng)一場微觀領(lǐng)域的大革命。