小身材，大能耐

眠眠

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

分子造機(jī)器的靈感來源

機(jī)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(jī)器，可以協(xié)助我們完成無數(shù)任務(wù)。幾千年來，機(jī)器也隨著人類技術(shù)水平的發(fā)展而不斷進(jìn)步，表現(xiàn)在機(jī)器不僅需要實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)功能，還要求尺寸小，就比如手機(jī)、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(jī)器橫空出世，或?qū)⑹侵圃鞓I(yè)史上一場(chǎng)新的技術(shù)風(fēng)暴。

那么，什么是分子機(jī)器？所謂分子機(jī)器，是指由不同數(shù)量的分子所構(gòu)成，并能在適當(dāng)?shù)耐獠孔饔孟?，?zhí)行不同動(dòng)作的一種微小機(jī)器。它的概念是1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者、赫赫有名的理查德·費(fèi)曼提出的。早在1959年的美國物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，費(fèi)曼就做出了一個(gè)意義深遠(yuǎn)的預(yù)言：“未來，我們或許能用分子制造出含有多個(gè)活動(dòng)部件的機(jī)器，這種機(jī)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(jī)器會(huì)獲得實(shí)際運(yùn)用，但最初會(huì)運(yùn)用在什么機(jī)器上，我還無法確定。”他所提出利用微型分子制造齒輪裝置的創(chuàng)造性概念，也成為了后人研究分子機(jī)器的靈感來源。

你知道嗎？

理查德·費(fèi)曼從24歲就開始了對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)的研究，直到他后來發(fā)現(xiàn)了量子電動(dòng)力學(xué)的一個(gè)理論，這個(gè)理論是以理查德·費(fèi)曼的名字命名的，這也讓理查德·費(fèi)曼獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其實(shí)，理查德·費(fèi)曼因還是世界上第一個(gè)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?yàn)榧{米概念獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，真正讓他聲名大噪的還是量子電動(dòng)力學(xué)這門學(xué)科。

分子機(jī)器的最大特點(diǎn)——小

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

由于尺寸很小，因此分子機(jī)器所需要的能耗也非常低，僅僅憑借熱能和化學(xué)能就能輕松地驅(qū)動(dòng)它們。而組成它們的基本單位是蛋白質(zhì)等有機(jī)分子，因此分子機(jī)器還可以靈活自如地進(jìn)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(zhǔn)確而高效。

分子機(jī)器的誕生

說到分子機(jī)器的發(fā)明史，的確和諾貝爾獎(jiǎng)的三名獲獎(jiǎng)?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(jī)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(gè)環(huán)狀分子連結(jié)在一起，形成了一個(gè)鏈狀的“交環(huán)烷”分子。我們知道，分子中的原子通常會(huì)以共享電子的方式，形成分子作用強(qiáng)大的共價(jià)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(duì)自由的機(jī)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(jī)器那樣運(yùn)作，各個(gè)零件都可以自如地進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)。再打另外一個(gè)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(yùn)動(dòng)。

第二步：轉(zhuǎn)起來

美國西北大學(xué)的斯托達(dá)特教授接手了分子機(jī)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(shí)質(zhì)就是將一個(gè)“交環(huán)烷”分子，纏繞到另一個(gè)啞鈴狀的線形分子軸上，從而讓它可以繞著軸運(yùn)轉(zhuǎn)。分子輪軸所引發(fā)的進(jìn)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(shí)現(xiàn)各種輪軸形式的運(yùn)動(dòng)。

利用分子輪軸，斯托達(dá)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(chǔ)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(jī)器領(lǐng)域有著無窮無盡的潛力。

第三步：動(dòng)起來

“分子馬達(dá)”的發(fā)明，為分子機(jī)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(xué)的費(fèi)林加教授。1999年，費(fèi)林加設(shè)計(jì)出了一種看起來很像電風(fēng)扇葉片的“分子轉(zhuǎn)子葉片”。通常情況下，分子的運(yùn)動(dòng)方向是隨機(jī)的，其逆時(shí)針或是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的概率大致相等。但費(fèi)林加琢磨出了一種精巧的設(shè)計(jì)，使葉片可以在紫外線脈沖的照射下，持續(xù)地向一個(gè)特定方向旋轉(zhuǎn)，形成一部穩(wěn)定可靠的“分子馬達(dá)”。

利用“分子馬達(dá)”，費(fèi)林加在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中成功地令一個(gè)28微米長，尺寸是馬達(dá)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(tái)分子馬達(dá)，我可以讓世界轉(zhuǎn)動(dòng)。”接下來，他又利用一臺(tái)優(yōu)化后每秒可達(dá)1 200萬轉(zhuǎn)的“分子馬達(dá)”，開發(fā)出了一部“納米汽車”，徹底奠定了分子機(jī)器的誕生。

小身材 大用途

通過上述步驟制作出來的分子機(jī)器，別看它們尺寸小，這些小家伙可以像身邊的大機(jī)器一樣工作，甚至實(shí)現(xiàn)大機(jī)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(jìn)入人體，定點(diǎn)圍剿那些可惡的病毒，或是向癌細(xì)胞發(fā)動(dòng)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(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，分子馬達(dá)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(dāng)用光源照射分子馬達(dá)后，它們就會(huì)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(chǔ)在分子當(dāng)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(shí)，或許我們就再也不必為手機(jī)耗電太快而煩惱了。

回首往昔，當(dāng)?shù)谝患茱w機(jī)剛被創(chuàng)造出來的時(shí)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(gè)世紀(jì)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(jī)器的發(fā)明雖然還只是實(shí)驗(yàn)室中的“雕蟲小技”，然而假以時(shí)日，這貌似不起眼的“小玩意兒”卻可能引領(lǐng)一場(chǎng)微觀領(lǐng)域的大革命。