世界上最小的機(jī)器

楊先碧

你能想到世界上最小的機(jī)器有多小嗎？螺絲那么大，針尖那么大，灰塵那么大，看不見的病毒那么大？都不對。世界上最小的機(jī)器是肉眼看不到的分子機(jī)器，它們比細(xì)胞和病毒還要小。來自法國的皮埃爾·索維奇教授、美國的弗雷澤·斯托達(dá)特教授以及荷蘭的伯納德·費(fèi)林加教授，因?yàn)檠芯窟@些分子機(jī)器獲得重大突破，而獲得了2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

制造分子機(jī)器三步走

制造分子機(jī)器的最初構(gòu)想要回溯到1950年。當(dāng)時(shí)，美國著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼第一次提出，未來可以制造微小機(jī)械讓其能夠?qū)嵤└鞣N各樣的作業(yè)。從那以后，制造分子機(jī)器就成為人類夢寐以求的向往。

分子機(jī)器是指在分子層面的微觀尺度上設(shè)計(jì)開發(fā)出來的機(jī)器，向這些“小家伙”提供能量后，它們可以在微小的空間內(nèi)移動(dòng)并執(zhí)行特殊的任務(wù)。由于分子機(jī)器尺寸往往只有幾納米到幾十納米，大約是頭發(fā)絲直徑的千分之一，因此分子機(jī)器又常常被稱為納米機(jī)器。2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主之一的斯托達(dá)特說：“分子機(jī)器不是一夜之間就能發(fā)生的。這需要很長時(shí)間和很多優(yōu)秀人才的共同努力?！?/p>

在長達(dá)30多年的時(shí)間里，三位獲獎(jiǎng)?wù)咄瓿闪朔肿訖C(jī)器設(shè)計(jì)與合成的“三步走”。

第一步：組裝

邁向分子機(jī)器的第一步是索維奇于1983年實(shí)現(xiàn)的，他成功將兩個(gè)環(huán)狀分子扣在一起，形成名為“索烴”的分子機(jī)器。這種機(jī)器有些像我們的自行車鏈條的一部分，不過更像我們玩過的“九連環(huán)”玩具。它們由兩個(gè)或多個(gè)互相鎖在一起的環(huán)狀分子組成，而且這兩個(gè)分子能夠相對移動(dòng)。

第二步：轉(zhuǎn)起來

斯托達(dá)特完成了第二步，他合成了名為“輪烷”的分子機(jī)器。這種機(jī)器由一個(gè)環(huán)狀分子和一個(gè)啞鈴狀的線性分子組成，就像輪胎套在車軸承一樣。

第三步：動(dòng)起來

費(fèi)林加完成了第三步，他設(shè)計(jì)出了能向一個(gè)特定方向旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)。1999年，他研制了一個(gè)分子轉(zhuǎn)子葉片，葉片能夠朝著同一方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這個(gè)馬達(dá)可以讓一個(gè)微型玻璃缸旋轉(zhuǎn)起來。這個(gè)微型玻璃缸雖然直徑和高度都只有28微米，但是它比分子馬達(dá)本身大1萬倍。

2011年，費(fèi)林加的研究小組在分子馬達(dá)的基礎(chǔ)上制造了一款四驅(qū)納米汽車，一個(gè)分子底盤將4個(gè)分子馬達(dá)連接在一起作為輪子，當(dāng)分子馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，納米汽車就能向前行駛。這種納米汽車有望在微小空間內(nèi)運(yùn)輸特殊化學(xué)物質(zhì)。目前，科學(xué)家還在研究怎樣把多個(gè)分子馬達(dá)組合，或把它們和其他分子聯(lián)系，組成一個(gè)稍微“復(fù)雜”的機(jī)器。在實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家已經(jīng)做成了由350個(gè)原子組成的螺旋槳。

分子機(jī)器有啥用

理解分子機(jī)器的工作原理，對絕大多數(shù)人來說，都非常有難度。不過，了解一下分子機(jī)器的作用，就沒這么難了。下面我們就來看看分子機(jī)器的作用吧。

人類最終的夢想是讓分子機(jī)器跟我們生活中常見的機(jī)器一樣，完成復(fù)雜的操作。費(fèi)林加對其獲獎(jiǎng)成就解釋說：“一旦在分子層面控制了運(yùn)動(dòng)，就為控制其他各種形式的運(yùn)動(dòng)提供了可能。這一研究成果為未來新材料的研發(fā)開啟了廣闊前景?！?/p>

除了在科研和工業(yè)上的用途外，分子機(jī)器將改變未來的醫(yī)療，極大地為我們健康服務(wù)。未來，我們可能注射各種各樣的分子機(jī)器進(jìn)入我們的身體，讓它們成為我們的健康衛(wèi)士。

現(xiàn)在我們吃藥，藥性往往是通過血液循環(huán)經(jīng)過全身。這些藥既能夠在病變部位停留，也會(huì)在沒有病的地方停留，這樣會(huì)對沒有病的部位帶來或多或少的影響，所以有“是藥三分毒”的說法。在未來，攜帶藥物的分子機(jī)器可以定向抵達(dá)我們的病變部位，然后停下來，再慢慢釋放藥物。這些分子機(jī)器“定點(diǎn)治療”病變部位，不但療效快，而且不會(huì)對身體其他部位帶來傷害，因此不會(huì)產(chǎn)生毒副作用。

我們身體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不少廢棄物，這些廢棄物并不能完全隨著汗液或糞便排出體外，一些殘留廢棄物就堆積在我們體內(nèi)的血管或其他組織、器官內(nèi)，給我們的健康帶來傷害。一些肩負(fù)“清淤”功能的分子機(jī)器就奔向這些“垃圾堆積處”，挖走廢棄物，然后隨著糞便排出體外。

這些分子機(jī)器甚至可以直接攻擊病變部位，比如癌細(xì)胞，把癌細(xì)胞一個(gè)一個(gè)地徹底消滅，讓癌癥患者恢復(fù)健康?？傊磥砩?jí)版的分子機(jī)器將成為我們身體內(nèi)優(yōu)秀的“殺毒軟件”，讓我們的身體一直處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

目前，不少國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占分子機(jī)器這種新科技的戰(zhàn)略高地。每一種新科技的出現(xiàn)，似乎都包含著無限可能。在不久的將來，神奇的分子機(jī)器將源源不斷地進(jìn)入人類的日常生活。

19世紀(jì)30年代，電動(dòng)馬達(dá)被發(fā)明出來時(shí)，很少有人明白它能做什么，連當(dāng)時(shí)最優(yōu)秀的科學(xué)家都未曾想過它會(huì)在電氣火車、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇上等被廣泛運(yùn)用。1919年，當(dāng)?shù)谝患茱w機(jī)剛被創(chuàng)造出來時(shí)，人們不屑地質(zhì)疑萊特兄弟：“它能有什么用處？”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。同樣的，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”，然而未來，這貌似不起眼的“小玩意兒”，卻有可能引起一場微觀領(lǐng)域的大革命。未來，我們拭目以待！