科学家成功将分子变为开关、发动机和棘轮

一辆分子“纳米汽车”沿着金属表面行驶。资料来源:卡尔·海因茨·恩斯特

这可能是一个高科技工厂的场景，但装配线只有几纳米长。

机器人沿着轨道缓慢移动，并有规律地停下来，以便伸出手臂小心地拿起部件。手臂将组件连接到机器人背部的精细结构上，然后机器人向前移动，重复这个过程——根据精确的设计有条不紊地将零件串在一起。

这可能是一个高科技工厂的场景，但装配线只有几纳米长。成分是氨基酸，产品是小肽，英国曼彻斯特大学的化学家大卫·利创造的机器人是有史以来设计的最复杂的分子机器。

这不是一个例子。利是越来越多的分子“建筑师”之一。他们的灵感来源于模拟生物分子，就像活细胞中的机器一样。在过去的25年里，这些研究人员设计了一系列令人印象深刻的开关、棘轮、引擎、螺旋桨，甚至更多——就像它们是纳米级的乐高组件一样，它们可以集成到分子机器中。与此同时，由于分析化学工具和反应的改进，使得构建大的有机分子变得更加容易，进展正在加速。

创建分子穿梭

如今的许多分子机器可以追溯到1991年由弗雷泽·斯托达特建造的一个相对简单的装置，他是一名化学家，目前在西北大学工作。这是一种称为轮烷的组合，其中环状分子通过一个“轴”穿过，该轴是一种线性分子，其两端被一个更大的“塞子”封闭。这个特殊的“轴”包含两个化学基团，可以在链的两端与环状分子结合。斯托达特发现，环状分子可以在这两点之间来回移动，从而创造了第一个分子穿梭器。

1994年，斯托达特改进了设计，使“轴”有两个不同的结合位点。分子穿梭存在于溶液中。改变液体的酸度可以迫使环状分子从一个地方移动到另一个地方，从而使分子梭成为一个反向开关。有一天，类似的分子开关可能会被用来对热、光或特定的化学物质做出反应，或者打开纳米级容器的“舱口”，在适当的时间将携带药物分子的“货船”运送到人体内适当的传感器。

斯托达特和加州理工学院的詹姆斯·希思一起使用了数百万个轮烷来制造存储设备。夹在硅和钛电极之间的轮烷可以通过电流从一种状态转换到另一种状态，并用于记录数据。分子算盘宽约13微米，包含160，000位，每一位由数百个轮烷组成——密度约为每平方厘米100千兆位，相当于当今最好的商用硬盘驱动器。

然而，“开关”不是很强大，通常在不到100次循环后就会崩溃。一种可能的解决方法是将它们装入坚硬的多孔晶体中，称为金属有机框架(MOF)。今年早些时候，加拿大温莎大学的罗伯特·舒尔科和斯蒂芬·勒布证实，他们可以将大约1021个分子穿梭机装入一个1立方厘米的MOF中。上个月，斯托达特披露了一种不同的MOF，它含有开关控制的轮烷。该MOF安装在电极上，通过改变电压可以同时开启或关闭轮烷。

纳米发动机

1999年，在分子穿梭和转换的早期实验之后，随着第一台合成分子引擎的诞生，这一领域向前迈出了一大步。由荷兰格罗宁根大学化学家本·费林领导的团队制造的分子引擎是一个包含两个相同的“桨”元素的单一分子，这两个元素通过碳碳双键连接在一起。研究人员将“桨”固定在某个位置，直到一束光打破一些化学键，让“桨”旋转。至关重要的是，“桨”的形状意味着它们只能向一个方向转动，只要有光和一些热量供应，发动机就会继续转动。

费里加继续使用类似的分子引擎来制造四轮驱动的“纳米汽车”。他还证实，发动机可以为液晶提供足够的旋转力，使发动机上的玻璃棒缓慢旋转。玻璃棒长28微米，是发动机的几千倍。

一些化学家认为，尽管这些引擎很可爱，但它们最终将会无用。“我一直对人工引擎心存疑虑——它们太难制造，也太难扩大规模。”德国慕尼黑大学的化学家Dirk Trauner说。

然而，它们背后的化学物质可能确实有用。利用同样的光激活机制，研究人员已经开发了大约100种药物样化合物，它们可以根据光的反应而开启或关闭。

以色列魏茨曼科学研究所的化学家Trauner和Rafal Klajn认为，主要的挑战将是说服谨慎的制药行业相信这些轻管制药物具有巨大的潜力，即使它们还没有在人类身上被追踪。"一旦他们看到价值，我们将处于良好的状态."

两个不同的发展方向

在寻找真正能做有用事情的分子机器的过程中，研究人员开始将一些不同的组件集成到一个设备中。今年5月，斯托达特宣布了一种人工分子泵，它可以将两个环状分子从溶液中“拉”出来，放到储存链上。每个环状分子套在链一端的“插头”上，并被开关控制的结合点吸引。旋转开关可以推动环状分子越过第二个屏障，远离储存链，在那里环状分子到达等待区。

该系统无法传输任何其他类型的分子，并在反复尝试纠正后成功构建。"这是一条漫长的道路。"斯托达德叹了口气。然而，它证明了分子机器可以用来收集分子和推动化学系统进入非平衡状态，就像生物迫使离子或分子形成浓度梯度来创造丰富的势能一样。"我们正在学习如何设计能源棘轮."

斯托达特同时表示，这样的成就可以使该领域朝着两个主要方向发展:继续给这些机器赋予分子任务，这是任何其他纳米尺度的方法都无法实现的；或者向宏观方向发展，同时使用数十亿台机器来转换材料或移动大量货物，就像一大群蚂蚁。

也许纳米方法的最好例子是利的分子装配线。受核糖体的启发，它基于一个轮烷系统，从“轴”上提取氨基酸，并将其添加到正在生长的肽链上。但是，该设备可能有宏应用。在36小时内，1018个设备一起工作可以产生几毫克的肽。“它不能做你在实验室半小时内做不到的事情。”利说，但这证明你可以拥有一台机器，它可以沿着轨道移动，拾起分子“积木”，并把它们组合在一起。目前，利正在开发其他版本的机器，以生产具有材料特性的定制分段聚合物。

相反，数十亿台分子机器一起工作也能改变宏观世界的物质属性。例如，响应光或化学物质而膨胀或收缩的凝胶可以作为可调节的透镜或传感器。“在接下来的五年里，我打赌你会得到第一批含有开关的智能材料。”夏飞说。(宗华)

中国科学新闻(2015-9-14，第三版国际)