用分子组装机器

你能想到世界上最小的机器有多小吗？螺丝那么大，针尖那么大，灰尘那么大？都不对。世界上最小的机器是肉眼看不到的分子機器，它们比细胞和病毒还要小。来自法国的皮埃尔·索维奇、美国的弗雷泽·斯托达特以及荷兰的伯纳德·费林加，因为研究这些分子机器获得重大突破，而共同获得了2016年诺贝尔化学奖。三位科学家的成就之所以能够获得诺奖青睐，是因为他们的研究促使原本无序的分子能够接受控制并执行特定任务，为化学的发展开启了一个新世界。

在微小的空间内移动

我们日常使用的机器，是由两个或两个以上的零件组成的。在给予一定的能量之后，机器会运转，其实质是内部的零件发生相对运动。比如，我们各种电器中常用的电动机，由转子和定子组成，通电以后转子就能转起来。

日常的机器是我们看得见摸得着的，而分子机器是十分微小的，其尺寸往往只有几纳米到几十纳米，大约是头发丝直径的千分之一，因此分子机器又常常被称为“纳米机器人”。尽管分子机器如此之小，但它也像日常机器那样由两个或两个以上的分子构件组成，得到合适的能量之后也能够运转，然后在微小的空间内移动。

由于分子机器尺寸小得超出人们的想象，其研制过程也殊为不易。斯托达特说：“分子机器不是一夜之间就能发明的，它需要很长时间和很多优秀人才的共同努力。”制造分子机器的最初构想要回溯到1950年。当时，美国著名物理学家理查德·费曼第一次提出，未来可以制造微小机械，让其能够实施各种各样的精密操作。从那以后，制造分子机器就成为人类梦寐以求的向往。

分子机器“三部曲”

在长达30多年的时间里，三位获奖者完成了分子机器设计与合成的“三部曲”。第一个华丽的乐章是索维奇于1983年实现的，他成功地将两个环状分子扣在一起，形成名为“索烃”的分子机器。这种机器有些像我们的自行车链条的一部分，不过更像我们玩过的“九连环”玩具。

“索烃”由两个或多个互相锁在一起的环状分子组成，而且这两个（或多个）环状分子能够相对移动。诺贝尔评选委员会在公布这个奖项时，选用面包对“索烃”进行了更形象的说明：他们拿出两个套在一起的面包圈，解释一对彼此独立但又相连的分子。

索维奇是武汉大学和武汉科技大学的客座教授，曾经到上述两所大学和中南大学讲学，做过与分子机器有关的主题讲座。2013年10月21日，索维奇教授访问武汉科技大学，当天正好是他69岁的生日。

索维奇曾在讲座中透露，与科学史上不少研究一样，他的这一成功也来自一个意外。他本来在从事光化学领域研究，重点研究太阳能引发的光化学催化反应，但当他建立了一种光化学活性复合物模型后，却意外发现一种独特的分子链：两个分子围绕铜离子纠缠在一起，这就是“索烃”的由来。

在第二个乐章中，斯托达特出场了。他合成了名为“轮烷”的分子机器。这种机器由一个环状分子和一个哑铃状的线性分子组成，就像车轮套在车轴承上一样。这个环状分子不是在线性分子这个“轴”上像车轮那样转动，而是沿着线性分子上下移动，最大移动距离为0.7纳米。1994年，斯托达特还合成了由5个环状分子锁在一起的分子机器，十分像奥运会会旗上的五环，它将这种分子机器称为“奥林匹克索烃”。

斯托达特与中国颇有缘分，他是“千人计划”短期项目入选者，还在天津大学、吉林大学担任教授、名誉教授等职位。2017年3月，斯托达特访问复旦大学，他在与化学系本科学生的交流时表示：“成功的秘密就在于克服困难的能力。生活总有不如意的事，会有很多出乎意料的情况和难题要面对。这就是对于人生的考验，考验你能否妥善地处理这些困难。”

斯托达特鼓励复旦大学的学生：“要充满热情做自己喜爱的事，要学会走出逆境，不要陷入困境难以自拔。行动起来，朝着自己的方向努力，才有机会看到希望的曙光。”斯托达特有句口头禅：“我的标准就是把任何事情都做到极致。”有一次，斯托达特要求一个学生测试样品，当时得出的结果和他预期仅有一点差距，但他坚持让学生重新做实验。

最后出场的是费林加，他设计出了能向一个特定方向旋转的分子马达。1999年，他研制了一个分子转子叶片，叶片能够朝着同一方向持续旋转。这个马达可以让一个微型玻璃缸旋转起来。这个微型玻璃缸虽然直径和高度都只有28微米，但是它比分子马达本身大1万倍。

费林加得知自己获得了诺贝尔化学奖时说：“我很震惊，我不知道该如何描述，因为这太令人惊讶了。我很荣幸也很激动。”费林加是格罗宁根大学的传奇人物，他总是充满活力、富有激情。每天早上，他都骑自行车上班，还骑得飞快。费林加教授也与中国有缘，他是我国和荷兰合办的烟台格罗宁根大学的荣誉教授，还给该校应用化学专业的本科生上过课，给新材料研究中心的研究人员指导过研究课题。

分子机器有啥用

人类最终的梦想是让分子机器跟我们生活中常见的机器一样，完成复杂的操作。日常机器的用途显而易见，然而微小的分子机器究竟有啥用？诺贝尔奖评选委员会在声明中说，这三位获奖者发明了“世界上最小的机器”，将化学发展推向了一个新的维度。费林加对其获奖成就解释说：“一旦在分子层面控制了运动，就为控制其他各种形式的运动提供了可能。这一研究成果，为未来新材料的研发和精密设备的制造打开了一扇新的窗口。”

由于简单的分子机器有开和关两种状态，很像现在计算机的0和1两种状态。因此，科学家认为分子机器也可以用来制造分子计算机。斯托达特的研究团队先后成功“建成”环状分子在线性分子表面上升0.7纳米的“分子电梯”，用轮烷构成的“分子肌肉”成功弯折了一块很薄的金箔，还开发出一种基于轮烷的计算机芯片，被认为在将来有望颠覆传统的计算机芯片技术。现在的计算机晶体管结构已经很小了，但相比分子晶体管还是大得太多，分子芯片将像硅基晶体管一样给计算机技术带来革命性变化。

2011年，费林加的研究小组在分子马达的基础上制造了一款四驱纳米汽车，一个分子底盘与作为轮子的4个分子马达连接在一起，当分子马达旋转时，纳米汽车就能向前行驶。这种纳米汽车有望在微小空间内运输特殊化学物质。目前，科学家还在研究怎样把多个分子马达组合，或把它们和其他分子联系，组成一个稍微“复杂”的机器。在实验室里，科学家已经做成了由350个原子组成的螺旋桨。

除了三位获奖者以外，数以万计的科学家正在从事这一领域的研究，他们已经设计并制造出了大量可以像乐高积木一样在纳米尺度上完成组装的分子机器部件，包括分子开关、分子棘轮、分子马达、分子连杆、分子环和分子推进器等。由于分析化学工具的不断改善以及构建有机大分子的相关反应的日渐成熟，这一研究领域得到了迅猛发展。

1831年，英国科学家法拉第发明出电动机时，很少有人明白它能做什么，连法拉第自己和当时其他科学家都未曾想过它后来会广泛应用。现在，从尖端的航天飞船到日常的交通工具，从工业用的各种机械到家用电器，都能看到电动机的身影。而分子机器正如当年的电动机一样，现在尚未进入实际用途，科学家认为它们未来很有可能用于开发新材料、新型传感器和能量存储系统等。

分子機器即将进入人体

除了在科研和工业上的用途外，分子机器将改变未来的医疗，极大地为我们的健康服务。未来，我们可能注射各种各样的分子机器进入我们的身体，让它们成为我们的健康卫士。

现在我们吃药往往是通过血液循环经过全身，虽然能够在病变部位停留，但是也会在没有病的地方停留。这对没有病的部位带来或多或少的影响，所以有“是药三分毒”的说法。在未来，携带药物的分子机器将定向抵达我们的病变部位，然后停下来，再慢慢释放药物。这些分子机器“定点治疗”病变部位，不但疗效快，而且不会对身体其他部位带来伤害，因此不会产生毒副作用。

我们身体内会产生不少废弃物，这些废弃物并不能完全随着汗液或粪便排出体外，一些残留废弃物就堆积在我们体内的血管或其他组织、器官内，对我们的健康带来伤害。有了分子机器，一些肩负“清淤”功能的分子机器就可以奔向这些“垃圾堆积处”，挖走废弃物，然后随着粪便排出体外。

这些分子机器甚至可以直接攻击病变部位，比如癌细胞，把癌细胞一个一个地彻底消灭，让癌症患者恢复健康。总之，未来升级版的分子机器将成为我们身体内优秀的“杀毒软件”，让我们的身体一直处于最佳的运行状态。分子剪刀或许将成为未来纳米机器人的机械手臂，在我们体内进行微小手术。总之，分子机器将成为未来精准医疗的重要组成部分。

目前，不少国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占分子机器这种新科技的战略高地。每一种新科技的出现，似乎都包含着无限可能。在不久的将来，神奇的分子机器将源源不断地进入人类的日常生活。

（责任编辑张虹）

DNA分子机器

美国加州理工学院的华裔科学家钱璐璐研制出一种具有分拣功能的DNA分子机器，其身高仅20纳米，它每迈一步的距离是6纳米。而这看起来不起眼的一小步，却需要花费5分钟。钱璐璐表示，“就好像机器人被送到火星等人类不能到达的地方，我们希望有一天可以将DNA分子机器送到血管等人类无法到达的微小之处。”

我们都知道，DNA是双螺旋结构，一个DNA分子有两个链条。在钱璐璐设计的DNA分子机器中，有若干根链条，其中一根被称为“入侵链”，其他的被称为“释放链”。在给予一定能量后，入侵链可以和第一根释放链结合，然后又分离;接下来，入侵链与相邻的下一根释放链结合再分离。通过这种不断的结合与分离，入侵链就可不断向前移动。

DNA分子机器的移动是短距离的，往往只有几纳米。这样的移动是为了对生物体内进行精细地操作。因为在移动过程中，DNA分子机器的入侵链还可以根据需要输送物质，比如把药物输送到特定位置，把垃圾清理到某个组织之外。如果患者患有恶性肿瘤，那么这种微小的机器人甚至可以完成定位，并操作一台小型的肿瘤割除手术。

既然DNA分子机器移动距离只有微不足道的几纳米，那么，它如何才能抵达人体的相关部位呢？这其实不用我们操心，DNA分子机器可以被注射到血液中，借助血液循环系统的动力抵达人体各处，并在特殊的手段控制下停留在身体某处，完成科学家交给它的特定任务。这就如同飞船把机器人送到空间站，机器人只需在空间内短距离行走，完成人们交给它的任务。