針尖上跳舞的機(jī)器人

李劍龍

有沒有可能制造一種機(jī)器，僅僅由幾個(gè)分子相互連接形成？由于機(jī)器的各個(gè)部分之間既要能相互運(yùn)動(dòng)，又要緊密連在一起不能散架，所以，從化學(xué)的角度來講，這就需要分子之間形成一種新的機(jī)械鍵，而不是像塑料的成分聚乙烯那樣，由小分子通過共價(jià)鍵聚合成一個(gè)新的大分子。

在20世紀(jì)50-60年代，一些化學(xué)家試著將一些環(huán)狀分子相互連接起來，形成一個(gè)鎖鏈。這可以視為制造分子機(jī)器第一步。可是當(dāng)時(shí)他們使用的方法過于復(fù)雜，化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)率也非常小，因此進(jìn)展有限。

1983年，法國化學(xué)家讓-皮埃爾·索維奇（Jean-Pierre Sauvage）利用一種“借雞下蛋”的方法解決了這個(gè)難題。他先利用銅離子吸引了一個(gè)環(huán)狀分子和一個(gè)半月形分子，然后利用化學(xué)手段將另一個(gè)分子“焊接”在了半月形分子上，使它們和環(huán)狀分子扣在一起，恰好形成鎖鏈的一個(gè)環(huán)扣結(jié)構(gòu)。最后，索維奇再將夾在中間的銅離子移走。利用這種方法，索維奇將化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)率提高到了驚人的42%。

1994年，索維奇學(xué)會(huì)了構(gòu)建一種叫做“索烴”的互鎖結(jié)構(gòu)，并讓其中的一個(gè)環(huán)在能量的驅(qū)動(dòng)下，能夠繞著另一個(gè)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。這已經(jīng)是分子機(jī)器的雛形了。不過在我們的印象中，機(jī)器中更常用到的是輪軸結(jié)構(gòu)，而這項(xiàng)工作在同一年中由英國化學(xué)家J·弗雷澤·斯托達(dá)特爵士（Sir J. Fraser Stoddart）完成。

斯托達(dá)特以極高的產(chǎn)率得到了一種“輪烷”，也就是將一種環(huán)狀分子以機(jī)械作用套在一根軸上。加熱的時(shí)候，環(huán)狀分子還可以沿著軸的方向在兩個(gè)位置上前后移動(dòng)，宛如一個(gè)分子梭。在之后的幾年中，斯托達(dá)特用輪烷陸續(xù)研究出了分子電梯、分子肌肉和分子“計(jì)算芯片”。索維奇利用輪烷還制造了一種類似于馬達(dá)的能轉(zhuǎn)動(dòng)的分子。不過，第一個(gè)成功研制了真正的分子馬達(dá)的人是荷蘭化學(xué)家伯納德·L·費(fèi)林加（Bernard L. Feringa）。

1999年，費(fèi)林加巧妙地在兩個(gè)分子上連上了兩個(gè)甲基，使它們像棘輪一樣相互咬合，只能朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，用紫外光照一次，分子就會(huì)沿著中心轉(zhuǎn)半圈，但不會(huì)倒轉(zhuǎn)回來。半圈半圈地轉(zhuǎn)下去，就形成了一個(gè)分子馬達(dá)。經(jīng)過多年優(yōu)化，費(fèi)林加的分子馬達(dá)最快可以達(dá)到每秒1200萬轉(zhuǎn)。2011年時(shí)，費(fèi)林加將4個(gè)分子馬達(dá)裝在了1個(gè)分子底盤上，造出了一個(gè)能在高度光滑的金屬表面前進(jìn)的分子車。利用這樣的馬達(dá)，費(fèi)林加的團(tuán)隊(duì)成功地驅(qū)動(dòng)了一個(gè)比馬達(dá)大1萬倍的玻璃圓柱。

這些研究都還很基礎(chǔ)，用費(fèi)林加的話來說，就像一百多年前萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)時(shí)一樣，看不出有什么作用。但其中蘊(yùn)藏著巨大的機(jī)會(huì)，就好比后來人類發(fā)明了波音飛機(jī)和空中客車。萊斯大學(xué)的化學(xué)家詹姆斯·圖爾（James M. Tour）猜測，分子機(jī)器可能最先用于制藥，例如我們可以用一種分子機(jī)器打開細(xì)胞膜，向細(xì)胞中輸送藥物。

由于在分子機(jī)器方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，索維奇、斯托達(dá)特和費(fèi)林加分享了2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。