查理與分子機器工廠

張馨文，王思堯，戴岳，宿艷，姜文鳳

大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116024

1 探訪神秘的分子機器工廠

小查理是巨人世界的一個男孩。從查理家的窗子望出去，可以看到全世界最神秘的工廠——分子機器工廠。

工廠門前掛著一個大大的標(biāo)語“你到底能制造出多小的機器？”看著這個標(biāo)語，小小的查理心想，巨人世界的機器是由各種金屬和非金屬部件組裝成的裝置，消耗能源，可以運轉(zhuǎn)、做功。它能用來代替人的勞動、進行能量變換、信息處理，以及產(chǎn)生有用功[1]。巨人世界的工匠用一個個小小的零件，組裝起如洗衣機、冰箱、掃地機器人、汽車、計算機、電梯等越來越多改變世界的機器。通過機器，小查理所生活的巨人世界得以高效有序的運轉(zhuǎn)。

那么，分子機器工廠里的機器會像巨人世界里的機器一樣嗎？他們也是通過機械運動來完成一項有用的任務(wù)，從而讓一切有計劃、有目的地發(fā)生嗎？如果分子成為機器的零件，那么這些零件如何連接在一起形成分子機器？又怎樣發(fā)生相對移動呢？

小查理的好奇心越來越重，終于有一天，分子機器工廠大門前張貼了一個告示：“我們將邀請一位幸運的孩子參觀充滿奧秘的分子機器工廠?！睙釔劭茖W(xué)的小查理獲得了這次機會，探索分子機器工廠的時光開始了。

2 分子機器的雛形

首先，小查理參觀了分子機器工廠的歷史博物館。分子機器工廠的建造歷史要從20世紀(jì)說起。

2.1 索烴的誕生

20世紀(jì)80年代，分子機器工廠將兩個環(huán)狀分子成功地連接在一起，如同巨人世界中用金屬環(huán)連成的鎖鏈一樣。

通過觀察分子機器的制作過程，小查理了解到連接環(huán)狀分子的兩種方法(圖1)。方法A的零件是4個半月形分子，其中2個半月形分子以金屬為中心，再將剩下2個半月形分子連接在這個配合物上；而方法B中零件是1個環(huán)形分子和2個半月形分子，在1個半月形分子和環(huán)形分子通過中心金屬連接在一起后，再和剩下的半月形分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成第2個環(huán)。脫除中心金屬離子后，神奇的事情發(fā)生了，小小的分子像生活中的兩個圓環(huán)一樣完成了互鎖。

圖1 機械式連鎖分子兩種不同的合成路徑圖示[2]

小查理有些困惑，這個連鎖分子的生成和原來在化學(xué)課上學(xué)到的化學(xué)反應(yīng)有什么不同呢？就在這時，一位白發(fā)蒼蒼的老爺爺走了過來，他告訴小查理，這兩個環(huán)形分子之間存在著弱的相互作用，而這兩個環(huán)形分子內(nèi)部的原子是通過很強的共價鍵結(jié)合在一起的。

小查理看到分子機器工廠歷史博物館的一個展品——索烴(圖2A)，它是利用方法B合成的具有3個鏈結(jié)的索烴。銅離子作為中心金屬參與合成，而后加入配位劑(CN-)即可將銅離子脫除。最終得到的索烴，像小查理生活中的鎖鏈一樣，一環(huán)套著一環(huán)(圖2B)。

圖2 (A) 用銅離子配位合成的索烴[2]；(B) 全部脫除中心金屬后的索烴[2]

小查理猜想，巨人世界的機器運作時需要消耗能量，分子機器是不是也需要提供支撐它運轉(zhuǎn)的能量呢？小查理猜得沒錯，通過化學(xué)物質(zhì)、光、電、磁等驅(qū)動或者其他分子控制分子機器，有望使分子機器實現(xiàn)特定功能。1996年，分子世界的研究人員讓這種以銅離子為中心金屬的索烴實現(xiàn)了兩個環(huán)之間的相互運動。銅離子通過氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致配位數(shù)發(fā)生變化，索烴的熱力學(xué)穩(wěn)定性隨之而變，即分子環(huán)要旋轉(zhuǎn)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。也就是說，當(dāng)銅離子失電子時，其中一個分子環(huán)將旋轉(zhuǎn)到更穩(wěn)定的位置；如果銅離子重新得到電子，則分子環(huán)轉(zhuǎn)回原位。

2.2 輪烷的誕生

分子機器工廠博物館里的輪烷(rotaxane)吸引了小查理的注意。它的零件是一個像巨人世界輪胎一樣的分子環(huán)。輪胎需要和軸承搭配，這個軸承就是一個軸狀分子。當(dāng)分子環(huán)和軸狀分子在溶液中相互結(jié)合，就形成了一個環(huán)狀分子套在一個軸狀分子上的結(jié)構(gòu)，恰似車軸穿過輪胎。這個環(huán)狀分子與軸狀分子的機械結(jié)合體，即為輪烷[3]。與巨人世界中的輪胎繞軸轉(zhuǎn)動不同，分子世界中的環(huán)狀分子是沿軸運動的。

如果“輪胎”可以沿軸往返運動，這種輪烷即稱作分子梭(molecular shuttle) (圖3)。小查理看到了熱驅(qū)動的分子梭，即一個分子環(huán)根據(jù)溫度變化在軸狀分子的兩端之間快速穿梭的結(jié)構(gòu)。

圖3 熱驅(qū)動的分子梭[4]

小查理還見到了一個通過改變酸堿度來調(diào)節(jié)輪胎位置的輪烷(圖4)。

圖4 通過酸堿調(diào)節(jié)“輪胎”位置的輪烷圖示[5]

看過了這些分子機器的雛形，小查理不禁開始期待，分子機器工廠車間的大門背后藏著怎樣一個看似渺小卻無比偉大的世界。

3 分子世界的三次“工業(yè)革命”

3.1 分子世界的第一次“工業(yè)革命”

來到分子機器工廠的車間，小查理迫不及待地推開門，見到的第一個機器是分子馬達。馬達在巨人世界對人類文明有巨大的推動作用，汽車、電動牙刷等都離不開馬達。分子世界中有一個天然的馬達——三磷酸腺苷合成酶。小查理十分震驚，他沒想到，自己一直好奇的分子機器原來就藏在自己的身體里！接著，工廠的研究人員給小查理介紹了一種人工分子馬達，它像是小查理在巨人世界見過的兩個小的動葉片，分子世界稱為轉(zhuǎn)子(圖5)，通過碳原子間的雙鍵相連接。當(dāng)分子受到特定波長的光照射，一個動葉片即圍繞中間的雙鍵旋轉(zhuǎn)180°，隨著下一個光信號到來，動葉片又旋轉(zhuǎn)180°，回到原來的位置。這個過程實現(xiàn)了光能、熱能到機械能的轉(zhuǎn)化。

圖5 光驅(qū)動單向分子轉(zhuǎn)子[6]

研究人員將分子馬達放到液晶中。分子馬達通過光照開始旋轉(zhuǎn)時，帶動液晶結(jié)構(gòu)改變。而當(dāng)把一個微米級顆粒放在液晶上時，顆粒也隨著液晶開始旋轉(zhuǎn)[7]。小查理親眼見證了這個分子馬達帶動一個比自身大萬倍的顆粒旋轉(zhuǎn)起來！

研究人員又給小查理看了他們制造出的一款“四驅(qū)”納米汽車(圖6)，通過將一個軸狀分子與分子馬達整合，恰似小查理家中的四輪汽車。

圖6 “四驅(qū)”納米汽車[8]

小查理想到了巨人世界第一次“工業(yè)革命”完成的標(biāo)志是“機器制造機器”，那么分子世界可以用機器制造機器嗎？

對于小查理的這個問題，David Leigh教授回答說：“就像宏觀世界的工廠里機器被用來組裝汽車一樣，我們希望將來有一天在分子工廠里也能用分子機器來高效地制造新東西。”

David Leigh教授的團隊制造了類似巨人世界中機械臂的分子機械臂。它由一個可旋轉(zhuǎn)的藍色開關(guān)控制，機械臂的轉(zhuǎn)子通過與貨物(綠色小球)形成共價鍵來拾取貨物，改變條件使手臂和貨物不能脫離。隨后開關(guān)旋轉(zhuǎn)到新的位置，并通過斷開手臂與貨物之間的化學(xué)鍵將貨物釋放。通過對貨物的拾取、釋放和藍色開關(guān)帶動的手臂的旋轉(zhuǎn)，就完成了一次貨物的運輸(圖7)。小查理想到，這樣反復(fù)拾取、釋放貨物的過程也是巨人世界生產(chǎn)車間需要人工或者機器人完成的事情！

圖7 使用分子機械臂拾取、運輸和釋放分子貨物[9]

3.2 分子世界的第二次“工業(yè)革命”

分子世界的第二次“工業(yè)革命”伴隨著分子電子器件的產(chǎn)生。小查理想到了家里的計算機，它有開關(guān)、導(dǎo)線、顯示屏。而分子世界也有分子電子器件[10]，比如分子導(dǎo)線、分子開關(guān)等，它們都有自己的電學(xué)特性。分子世界正期待著用這些元件組裝完整的分子計算機。

在巨人世界中，導(dǎo)線作為電子領(lǐng)域的基本電子元件是連接整個電路系統(tǒng)的重要組成部分。在小查理的生活中，電視機、洗衣機等電器設(shè)備都需要依靠導(dǎo)線輸送電流；計算機芯片中的晶體管也要通過導(dǎo)線連接。在分子世界，當(dāng)導(dǎo)線的直徑縮小到分子尺度時，就變成了分子導(dǎo)線。

不同于分子馬達需要吸收外界能量，從低能態(tài)轉(zhuǎn)化到高能態(tài)。分子開關(guān)不需要做功。廣義的分子開關(guān)可以在pH、光波、溫度、電荷等條件的改變下，擁有兩種及以上的不同穩(wěn)定狀態(tài)。利用這一特質(zhì)，分子機器工廠制造了分子肌肉[11]、分子邏輯門[12]、分子電梯[13]等多樣的“開關(guān)”。

小查理在車間見到了一種用輪烷二聚體構(gòu)成的“分子肌肉”(圖8)，就像人類通過肌肉的收縮和伸展，調(diào)節(jié)肌肉宏觀的長度，才可以拿起重物、彎折物體一樣。分子肌肉通過與不同的金屬離子和配位劑進行配位時也可以實現(xiàn)收縮與伸展。這樣的分子肌肉在分子世界中可以利用其收縮伸展的特性調(diào)節(jié)其他物質(zhì)，在小查理的巨人世界有望成為人造肌肉材料的組成部分。

圖8 輪烷二聚體——“分子肌肉”[14]

與分子肌肉原理相同的是“分子電梯”。分子電梯(圖9)雖然不能做功，但酸堿調(diào)節(jié)可以控制平臺(紅色)上下運動，恰似小查理生活中乘坐的電梯，可以在樓層間上下穿梭。

圖9 “分子電梯”圖示[14]

巨人世界中的微型計算機已經(jīng)很小了，不過和分子相比仍然是巨大無比。小查理已經(jīng)見證了小型化計算機技術(shù)革命所帶來的影響，而分子則有望顛覆現(xiàn)階段的硅基晶體管，讓電子器件的尺寸進一步縮小、性能進一步提高。小查理設(shè)想，如果將分子計算機運用于巨人世界，這將為計算機技術(shù)帶來革命性變化。

3.3 分子世界的第三次“工業(yè)革命”

小查理想起自己的偶像費曼在1959年“最底一層大有可為”的演講中的一句話，“你可以‘吞下一個外科醫(yī)生’?！毙〔槔聿聹y，分子世界的第三次“工業(yè)革命”是否將要把分子機器送入人體？如果分子機器可以成為一個小小的醫(yī)生，就能進入人體搜索病變之處并對癥下藥。

2013年，分子世界設(shè)計出了人工小分子機器，這個機器擁有著類似于自然界中核糖體的功能。分子機器沿分子鏈定向移動時，通過分子機械臂拾取前方的氨基酸，并將其轉(zhuǎn)移，人工“核糖體”向前移動，繼續(xù)拾取前方新的氨基酸。重復(fù)的拾取轉(zhuǎn)移使氨基酸脫離原始軌道，形成新的分子，即肽鏈。分子世界用了1018個這樣的分子機器，最終合成了一條肽鏈[16]。

小查理剛剛在分子機器工廠看到的分子馬達，它能被光驅(qū)動進行機械運動。事實上，利用其機械運動的特點，可以在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用于打開細胞膜[17,18]。分子世界的一項研究表明，光驅(qū)動分子馬達快速旋轉(zhuǎn)，可以鉆開細胞膜、破壞組織、殺死多細胞真核生物[19]，這有望用于癌癥、寄生蟲、細菌和病變組織的治療。

4 小查理的感悟

小查理的分子機器工廠一日游就這樣結(jié)束了，他的心中正孕育著一個夢想：他想成為分子機器工廠的一名研究者，致力于讓分子世界與巨人世界接軌。分子機器正是宏觀世界與微觀世界相通的載體，就像在19世紀(jì)30年代的電動機改變了世界一樣，這些分子機器也將改變世界。

或許現(xiàn)在，小查理已經(jīng)能夠回答分子機器工廠門前的標(biāo)語——“我們能夠制造的最小的機器究竟有多?。俊?。在分子機器工廠，小查理找到了答案。