分子機(jī)器

機(jī)器的基本功能是將一些能量輸入至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件都有不同的功能，這些部件結(jié)合在一起產(chǎn)生有用的運(yùn)動(dòng)，這被稱為做功。

納米技術(shù)先驅(qū)埃里克·德雷克斯勒設(shè)想分子大小的機(jī)器可以在原子尺度上操縱化學(xué)過程的反應(yīng)物，甚至可以從分子中構(gòu)建新材料。這將是巨大的突破！

在分子尺度上，機(jī)器的行為不會(huì)像我們?nèi)粘Ａ?xí)慣的那樣，如果沒有精心設(shè)計(jì)，分子的“螺母”和“螺栓”就無法輕易擰開。分子間存在著范德華力，它們吸引到一起的影響比摩擦對(duì)普通螺母和螺栓的影響要大得多。

大多數(shù)分子通過化學(xué)鍵連接在一起?；瘜W(xué)鍵的作用是不允許兩個(gè)“分子部件”之間自由運(yùn)動(dòng)，而機(jī)器通常依賴部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

要建造分子機(jī)器，工程師必須要弄清楚如何利用所謂的機(jī)械鍵。在機(jī)械鍵中，分子的形狀將它們互鎖在一起，互鎖的兩個(gè)分子之間沒有共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)，但只有破壞其中一個(gè)分子的共價(jià)鍵才能破壞分子間的機(jī)械鍵，使它們完全分離。

1983 年，法國(guó)化學(xué)家讓-皮埃爾·索瓦日在研究由紫外線驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，讓銅離子與環(huán)狀分子的內(nèi)部結(jié)合，一個(gè)C 形分子可以穿過環(huán)并附著在銅離子上。在合適的環(huán)境中，另一個(gè)C 形分子可以與第一個(gè)分子化學(xué)鍵形成一個(gè)互鎖環(huán)，最后把銅離子彈出。這樣我們就得到了一個(gè)機(jī)械鍵結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)分子環(huán)。這些環(huán)可以自由旋轉(zhuǎn)，就像機(jī)器一樣。

當(dāng)銅離子在化學(xué)反應(yīng)中心被剝離電子時(shí)，其中一個(gè)環(huán)將旋轉(zhuǎn)180 度；如果銅離子重新捕獲電子，它就會(huì)再扭轉(zhuǎn)回來。如果我們想要制造帶有旋轉(zhuǎn)部件的分子機(jī)器，掌握這種運(yùn)動(dòng)真的很重要。

英國(guó)化學(xué)家弗雷澤·斯托達(dá)特制造出稱為輪烷的分子機(jī)器。

帶正電荷的環(huán)被吸引到軸上帶負(fù)電荷的位置，但它并沒有通過化學(xué)鍵連接得更緊。環(huán)還可以在軸上兩個(gè)帶負(fù)電荷的點(diǎn)之間跳躍，而龐大的硅基端蓋則阻止它掉落出去。利用這種原理，科學(xué)家制造了一種可以將自身抬高幾納米的分子電梯。

2011 年，費(fèi)林加團(tuán)隊(duì)使用這種技術(shù)制造了一輛帶有四個(gè)旋轉(zhuǎn)輪子的納米汽車。

索瓦日、斯托達(dá)特和費(fèi)林加的巧妙設(shè)計(jì)解決了設(shè)計(jì)分子機(jī)器時(shí)所遇到的問題。2016 年，他們獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。