姚旭陽

摘要：介紹了2016年諾貝爾化學獎，分子機器領域的發(fā)展簡史、研究進展與現(xiàn)狀、對未來前景的展望，以及這一研究領域的科學意義和啟迪。

關鍵詞：諾貝爾化學獎；分子機器；超分子化學；非平衡體系

文章編號：1005–6629（2016）12–0003–08 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

2016年10月5日，瑞典皇家科學院諾貝爾獎評定委員會宣布，將2016年諾貝爾化學獎授予來自法國斯特拉斯堡大學的Jean-Pierre Sauvage，美國西北大學的J. Fraser Stoddart以及荷蘭羅格寧根大學的Bernard L. Feringa三位科學家，以表彰他們在分子機器的設計與合成領域做出的杰出貢獻。很多人認為這是繼1987年Jean-Marie Lehn等人獲得諾貝爾化學獎后超分子領域的梅開二度，使得超分子領域的科學家們備受鼓舞。但也有一些科學家認為，此次分子機器獲獎，實屬爆了一個冷門。與同是候選的鋰電子電池技術(shù)、CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)以及RAFT/ATRP高分子自由基聚合技術(shù)相比，分子機器作為一項基礎研究仍處于初級階段，距離可預見的實際應用還有很大的距離。那么，為何該領域能夠榮膺諾貝爾化學獎？什么是分子機器？其科學意義何在？我們又能從中得到什么啟示呢？

1 分子機器的發(fā)展簡史

隨著分子生物學的日益發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在眾多生命體系的微觀尺度下，存在著很多渺小的但功能獨特的生物機器，它們或能吸收、轉(zhuǎn)化并儲存外界能量，或能消耗儲存的能量來完成各種復雜的生命功能。比如，葉綠體整體作為一個光合作用“工廠”，內(nèi)部存在著許多功能各異的生物機器，在它們的配合下，葉綠體完成光合作用的各道工序，實現(xiàn)光能向化學能的轉(zhuǎn)變。又如核糖體能夠翻譯RNA中存儲的信息將其“翻譯”成具有多種功能的多肽，細胞膜上的載體蛋白能夠完成逆濃度梯度的主動運輸。大自然造物主向人們展示著一個又一個精巧的生物機器，每一個都足以藐視人類現(xiàn)在所擁有的任何一臺納米機器。但是人們從遠古時代起，似乎就從沒有簡單地臣服于大自然。我們能向她學到什么？能否利用從她那兒學到的知識，去探究生命的起源、解答生命的奧秘，或?qū)诡B疾、提高生命的質(zhì)量？那么，是不是可以從合成一臺與生物機器類似的分子機器開始？

分子機器設想的提出，可以追溯到上世紀中葉。1959年，在美國物理學年會上，著名物理學家費曼Richard Feynman（于1965年獲得諾貝爾物理學獎）提出，能否通過原子制造出一臺極微小的機器，實現(xiàn)諸如分子汽車一樣的人造機器?！拔覀兛梢园褭C器做到多?。俊盕eynman提出的一系列原理性問題以及對分子機器的大膽設想，為人們構(gòu)筑分子機器提供了最初的靈感。

時至今日，分子機器已經(jīng)有了一個比較完善的定義：分子機器是由一定數(shù)量的分子組裝而成的，能夠在外界適當?shù)拇碳は拢ㄝ斎耄龀鲱愃茩C械運動（輸出）的分子組裝體。分子機器通常需要能量來驅(qū)動，因而需要適當?shù)哪芰抗┙o。比較經(jīng)典的分子機器和機器部件有分子纏結(jié)、分子開關、分子電梯、分子肌肉、分子剪刀、分子馬達、分子泵、分子汽車等（圖1）[1]。

在構(gòu)筑一個復雜的分子機器的過程中，科學家們往往需要利用多種多樣的分子組件，進而構(gòu)筑具有一定功能的組裝體。就好比我們要制造一輛汽車，需要各種各樣的零件，如軸承、齒輪、車輪、發(fā)動機等等。因此，設計并通過有機合成來制備具有精巧結(jié)構(gòu)并能夠產(chǎn)生相互作用的分子組件，是分子機器領域一個重要的基礎課題。

構(gòu)筑分子機器的早期研究，得益于兩項重要的技術(shù)發(fā)展。其中之一是拓撲纏結(jié)（topological entanglement）的提出，也就是所謂的機械鍵（mechanical bond）；其二是可異構(gòu)的不飽和鍵方面的研究。在這些方面，三位諾獎得主分別做出了開拓性的重要貢獻。

1.1 拓撲纏結(jié)與機械鍵

Jean-Pierre Sauvage的主要貢獻集中在利用機械鍵來構(gòu)筑機械互鎖分子（mechanicallyinterlocked molecular architectures）方面。機械互鎖分子概念的提出是分子機器發(fā)展過程中的重要一步，這完成了從研究分子本身到研究分子與分子之間的關系的飛躍，因而實際上這也是超分子化學中的重要進步。在這些結(jié)構(gòu)中，各個分子之間并不是通過共價鍵鏈接在一起，而是相對獨立地通過環(huán)和環(huán)互穿在一起（索烴，就好比兩個鑰匙扣套在一起），或者是通過環(huán)穿在兩端有阻擋基團封端的桿上（輪烷，就好比算盤上的一根桿和珠子）?；ゴ┰谝黄鸬姆肿与m然在結(jié)構(gòu)上“連接”在了一起，但相對之間能夠自由地運動，只有打破某個分子用于成環(huán)的共價鍵，這個互鎖的結(jié)構(gòu)才會被破壞。在研究初期，合成這些機械互鎖結(jié)構(gòu)是相當困難的，科學家們往往要通過多步復雜的反應才能得到相應的產(chǎn)物，而且通常產(chǎn)率很低。直到1983年，Jean-Pierre Sauvage等人率先提出了通過模板合成的方法，他們通過金屬配位，顯著地提高了制備索烴和輪烷的產(chǎn)率（圖2）。這一發(fā)現(xiàn)極大地加速了拓撲化學的發(fā)展，在此基礎上，化學家們合成了多種多樣的拓撲纏結(jié)結(jié)構(gòu)，例如Sauvage等合成了三葉草結(jié)[3]、索烴、所羅門結(jié)等更為復雜的結(jié)構(gòu)（圖3），這些結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生為分子機器的出現(xiàn)奠定了堅實的基礎。

隨著對索烴研究的進一步深入，Sauvage等人發(fā)現(xiàn)可以借助索烴的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)平移異構(gòu)（translational isomerism）。他們通過金屬Cu（I）的配位與解離實現(xiàn)了索烴結(jié)構(gòu)的可逆變化，通過外界控制銅離子的配位與解離，索烴結(jié)構(gòu)中的鄰二氮雜菲能夠產(chǎn)生明顯的距離變化（11？）[4]。

而同時推動該領域?qū)崿F(xiàn)這次巨大飛躍的，正是另一位諾獎得主，來自美國西北大學的James Fraser Stoddart，他的課題組在1991年發(fā)表的文章中更為清晰地向人們展示了平移異構(gòu)現(xiàn)象[5]。從20世紀80年代起，Stoddart課題組就開始用基于模板的方法來合成機械互鎖分子，其利用的是基于富電子和缺電子的芳環(huán)之間的相互作用力。他們研究并發(fā)展了一個基于雙甲基紫精環(huán)番的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠套在一個含有兩個結(jié)合位點（對苯二酚單元）的軸上，通過大位阻基團將軸的兩端封端，這樣就能夠以較高的產(chǎn)率得到[2]輪烷（圖4）。最終得到的輪烷是一個可以在軸向上實現(xiàn)環(huán)番在兩個結(jié)合位點之間移動的分子梭。這項工作同Sauvage可逆索烴形狀移動的工作一起，標志著拓撲纏結(jié)在分子機器發(fā)展過程中應用的開端。

1994年，Sauvage和Stoddart課題組均通過引入不對稱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了外部調(diào)控的機械互鎖分子的平行移動與旋轉(zhuǎn)移動[6，7]。Stoddart課題組在輪烷的軸上引入了兩個不同的π-電子供電子單元，即聯(lián)苯胺和聯(lián)苯酚基團，通過包括電化學氧化/還原循環(huán)或是pH的變化等能量的輸入，驅(qū)動雙甲基紫精環(huán)番在兩個位點之間發(fā)生移動。而Sauvage課題組則設計了一個索烴結(jié)構(gòu)，在其中一個環(huán)上設計了兩個不同的配位位點，即鄰二氮雜菲和三聯(lián)吡啶單元，而在另一個環(huán)上保留一個鄰二氮雜菲單元，通過對中心配位銅離子的電化學氧化還原循環(huán)可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)移動。

緊隨著這些突破性的發(fā)現(xiàn)，在之后的幾年中，這些課題組設計、合成并表征了其他種輪烷、索烴體系。比如1996年，Sauvage課題組報道了通過電化學控制平移的擬輪烷；Sauvage課題組與 Stoddart課題組合作報道了可控旋轉(zhuǎn)的索烴。同年，Stoddart課題組又報道了通過化學控制穿入/脫出的擬輪烷器件。1997年，Sauvage課題組報道了可通過電化學或光化學誘導的可控旋轉(zhuǎn)，1999年，Sauvage課題組報道了電化學誘導旋轉(zhuǎn)的輪烷。2004年，光化學與熱控制旋轉(zhuǎn)的索烴體系也先后問世。

自20世紀90年代以來，該領域面向應用方面的嘗試在Sauvage、Stoddart兩個課題組以及其他研究者的共同努力下飛速發(fā)展。2000年，Sauvage課題組報道了一個合成上極具挑戰(zhàn)性的雛菊鏈結(jié)構(gòu)（其形狀很像現(xiàn)實生活中精美的雛菊手鏈，分子中的每一個環(huán)狀分子就像手鏈上的每一朵雛菊），這為化學調(diào)控分子收縮/伸展提供了實例，實現(xiàn)了類似生命體中肌肉的動作（圖5）[8]。通過整合兩種相互交錯的輪烷官能團，它們能夠在化學刺激下實現(xiàn)高度可控的近2nm的平移收縮和伸展。

類似地，Stoddart課題組于2004年設計了一個復雜的“分子電梯”輪烷器件（圖6）[9]。在這個“分子電梯”中，一個平板能夠在兩個間隔0.7nm的層間可控移動，經(jīng)估算，該過程中展現(xiàn)出的力最大可達200pN。此外，在2005年，Stoddart課題組報道了一個類似肌肉的分子觸發(fā)器，他們用一個[3]輪烷結(jié)構(gòu)來控制彎曲一個薄的金懸臂，通過將大環(huán)組件固定在金表面，同時讓部分自由移動，便能夠?qū)崿F(xiàn)分子高達2.8nm的收縮和伸展，金表面大量的機器一起工作，能夠在收縮的情況下使金懸臂彎曲大約35nm，據(jù)估算每個分子大約貢獻了10pN的力。

另外，Stoddart課題組抱著構(gòu)建分子邏輯門和信息存儲功能的設想，希望在輪烷和索烴的基礎上發(fā)展分子規(guī)模的電子器件。在證明了這些體系的可能性并解決了一些初步的挑戰(zhàn)之后，2007年，他們研究得到了具有記憶功能的輪烷器件。該輪烷安裝在兩個電極之間，并能夠?qū)懭氲碾娢划a(chǎn)生響應，從而在非擾動的電位下讀出開和關兩種狀態(tài)。該裝置每bit有幾百個輪烷，擁有約100Gbit每平方厘米的密度，能夠?qū)崿F(xiàn)16K bit的記憶存儲。

2006年，Stoddart課題組提出了光驅(qū)動線性分子馬達的原型機。他們在輪烷結(jié)構(gòu)中軸向引入了一個光敏劑和兩個不同的甲基紫精官能團，通過循環(huán)的光激發(fā)-電子轉(zhuǎn)移-電荷重組，一個環(huán)番環(huán)能夠重復地在兩個結(jié)合位點間移動。該裝置的運行頻率在大約1000Hz，具有大約3×10-17瓦特的能量。最近，Stoddart課題組利用輪烷結(jié)構(gòu)，通過反復的氧化還原的響應，大環(huán)結(jié)構(gòu)能夠不可逆地在軸上穿過，實現(xiàn)了濃度梯度的產(chǎn)生。

1.2 可異構(gòu)的不飽和鍵

在分子機器發(fā)展的過程中，與機械互鎖結(jié)構(gòu)一樣具有重大理論意義的還有可異構(gòu)的不飽和鍵的發(fā)展。我們知道，發(fā)動機是機器的心臟，正是發(fā)動機實現(xiàn)了不同形式能量之間的轉(zhuǎn)換，為機器的運作提供了能量。而對于分子機器而言，必定也有一臺發(fā)動機為其提供能量并驅(qū)動它們離開平衡態(tài)，這就是分子馬達。在這個方向上，科學家們曾進行了大量的實驗，他們嘗試設計了大量的分子來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。但實現(xiàn)可控的單向旋轉(zhuǎn)是這個領域的主要挑戰(zhàn)，可控單向旋轉(zhuǎn)的實現(xiàn)標志著該領域發(fā)展中最重要的基礎性突破。而在這一方面做出重要貢獻的，便是第三位諾獎得主，來自荷蘭羅格寧根大學的Feringa教授。

在分子機器早期的研究中，除了控制基于輪烷和索烴的相對運動，還有其他一些針對可控運動的研究，例如，控制單鍵的旋轉(zhuǎn)。20世紀70年代，科學家們研究了具有類似螺旋槳結(jié)構(gòu)的分子的轉(zhuǎn)動情況，并在研究實例中證實了轉(zhuǎn)動能壘的存在。接下來的10年中，科學家們繼續(xù)對可控的旋轉(zhuǎn)進行嘗試，這其中也包括基于拓撲糾纏結(jié)構(gòu)體系的嘗試，但是他們中的大多數(shù)無功而返。直到1999年，F(xiàn)eringa教授首次報道了可控的單向轉(zhuǎn)動的分子，而這一特性也正是分子馬達所應該具備的基本性質(zhì)（圖7）[10]。實際上，這一分子馬達卻并不是通過可以自由旋轉(zhuǎn)的單鍵實現(xiàn)，而是通過不飽和的碳碳雙鍵的光異構(gòu)化來實現(xiàn)的。Feringa等人通過合理設計分子的不對稱性，通過所謂的“擁擠的烯烴”結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了由光照和加熱來完成單向轉(zhuǎn)動的分子馬達。

這一獨創(chuàng)性的設計無疑是分子機器發(fā)展過程中里程碑式的一步。Feringa等人不僅僅解決了如何通過光來驅(qū)動分子級別的運動的問題，更解決了如何實現(xiàn)單向轉(zhuǎn)動這一分子馬達的核心問題。在接下來的發(fā)展中，F(xiàn)eringa課題組繼續(xù)研發(fā)了幾代分子馬達，相比初代分子馬達，它們的轉(zhuǎn)動頻率得到了大幅度的提高。例如2014年，F(xiàn)eringa課題組報道了轉(zhuǎn)動頻率可以達到12MHz的分子馬達。

隨著基本原理的突破，分子機器領域也迎來了巨大的發(fā)展。例如，科學家們將分子馬達接到金表面，固定了分子馬達的底座，實現(xiàn)了在表面運行的光驅(qū)動螺旋槳。2006年，F(xiàn)eringa課題組將該分子馬達引入液晶膜中，通過光照驅(qū)動了液晶膜內(nèi)微米尺寸的物體產(chǎn)生單方向的旋轉(zhuǎn)。2005年，他們研發(fā)了可以通過化學燃料來實現(xiàn)單向運轉(zhuǎn)的分子馬達。值得一提的是，該體系中馬達的轉(zhuǎn)動方向可以通過加入堿來控制向正向或反向轉(zhuǎn)動。

而為了回應文章開始Feynman提出的制作一輛極小的分子汽車的設想，F(xiàn)eringa課題組以實際行動完成了回答。他們設計并合成了一個形如汽車的分子，這輛分子汽車由一個底盤和四個分子馬達組成（圖8）。在金表面上，這輛汽車能夠在光的驅(qū)動下向可控的方向行進[12]。

1.3 其他為分子機器發(fā)展做出重要貢獻的課題組

當然，分子機器領域的研究進展并不是完全由三位諾貝爾獎獲得者完成的，一個科學前沿的發(fā)展必然需要來自世界各地的科學家們貢獻自己的智慧。除了三位獲得諾貝爾獎的科學家，還有很多來自不同國家的課題組為該領域做出了重要貢獻。例如，意大利的Balzani課題組，在超分子光化學和光驅(qū)動分子機器方面做出了重要貢獻。英國的David Leigh（師從Stoddart）在獨立開展研究工作之后，對分子機器的功能化方面做出了杰出的貢獻。我國的田禾課題組，是國內(nèi)較早從事分子機器研究的課題組之一。2004年，他們報道了熒光表征的“可鎖”的光控分子機器，在國際上率先提出利用熒光來表征分子機器的不同狀態(tài)[13]。這就好比給分子汽車裝上了儀表盤，使得我們可以更方便地了解汽車的行駛狀態(tài)。正如Stoddart所言，這些科學家中沒有追隨者，他們中只有從傳統(tǒng)化學中走出來的發(fā)明家和創(chuàng)造者。

2 分子機器的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 從平衡走向非平衡

以上介紹的三位諾獎得主的貢獻主要集中在20世紀80年代到90年代，當然，Stoddart、Feringa課題組近期仍在分子機器領域相當活躍，貢獻了很多有重要意義的研究成果。分子機器發(fā)展到今天，正如諾貝爾獎致辭中所言，科學家們已經(jīng)將分子機器從平衡體系推動到非平衡體系?？梢哉f，分子機器從傳統(tǒng)的平衡體系發(fā)展到非平衡體系，才真正意義上踏上了實現(xiàn)其最初設計目的的征途。通過精巧的分子設計，在微觀的分子尺度，實現(xiàn)能量注入，進而通過可控的分子運動，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，完成特定的功能。人們以往對于化學體系的認知停留在平衡態(tài)，也就是眾多化學反應最終將抵達的能量最低的“死寂”狀態(tài)。但是，以人體為例，卻正好與能量最低的“死寂”狀態(tài)顯著不同。我們通過進食、消化吸收，從食物中獲取能量，而這些能量存儲在糖、脂肪中，在需要的時候轉(zhuǎn)化為ATP為身體內(nèi)的各種反應提供能量，驅(qū)動各體系遠離平衡，到達更高的能量態(tài)。而我們體內(nèi)的生物分子利用這些能量完成各種必要的生命活動來維持我們身體的正常運作?？偟膩碇v，我們的身體一直處于一個高能的但是整體有序的非平衡狀態(tài)，如果我們身體整體到達了平衡狀態(tài)，那也就意味著死亡的來臨。

正如前文所提分子機器與超分子化學頗有淵源一樣，分子機器從平衡態(tài)發(fā)展到非平衡態(tài)，進而最終實現(xiàn)耗散做功，與超分子化學中超分子自組裝體系從平衡體系到動力學控制體系，進而到最終的遠離平衡的體系的發(fā)展有著相同的前進途徑。我們知道，宏觀尺度的機器，例如蒸汽機可以通過燃燒燃料實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換；電動機可以將電能轉(zhuǎn)化為機械能。而作為在分子層面的分子機器，在“燃料”方面與宏觀機器有著明顯不同。在化學體系中，能量的一個重要來源是化學能，也就是通過分子機器所在環(huán)境中的化學反應（與宏觀的燃燒相比不同）來為機器的運動提供必要的能量。而為了提供化學能，就必須要有反應物的輸入，以及產(chǎn)物的輸出。但是，正如我們在高中化學中所學的一樣，一個封閉的反應體系，反應最終到達能量最低的化學平衡。這樣一來，機器就不能持續(xù)地運動，即便再加入過量的反應物，平衡向正向反應的進程也會因產(chǎn)物濃度逐漸提高而受到抑制。因而，如果想實現(xiàn)化學能的不斷供給，就必須實現(xiàn)反應物（燃料）的持續(xù)加入和反應產(chǎn)物（廢物）的有效去除。這樣一來，就必須實現(xiàn)有效的物質(zhì)流通（物質(zhì)流），但遺憾的是，就目前而言，在簡單的體系中實現(xiàn)物質(zhì)流還是很難達到的。人造體系并沒有發(fā)展到像生命體系那樣通過耗能的主動運輸來汲取能量，排出廢物。但是，具有更廣闊研究范圍的超分子化學領域的科學家們已經(jīng)著手開始以自組裝的方法來構(gòu)筑具有相應功能的組裝體。

當然，除了物質(zhì)流，目前還有一種最簡單的方式來為分子機器提供能量，那就是光。光子是一種玻色子，是自然界中傳遞作用力的基本粒子之一，但是它不是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。而且，通過光子引發(fā)的反應，并不遵循微觀可逆原則。這也就意味著，通過光，我們可以給分子機器供給能量，但是光卻不會給體系引入代謝廢物。這樣一來，就避免了物質(zhì)流無法實現(xiàn)的問題。Feringa的分子馬達，即是通過光來實現(xiàn)能量的供給的。又如意大利的Balzani，Credi課題組，也是利用光來驅(qū)動分子機器。2015年，Credi課題組報道了第一例通過光來驅(qū)動的耗散自組裝分子機器，這也是近期分子機器發(fā)展的標志性工作之一[14]。

2.2 從“有趣”到功能化

在諾貝爾獎頒獎的現(xiàn)場采訪中，有記者問Feringa，未來你們的小車或者電梯能運送貨物么？比如將藥物分子運送到靶向位點？Feringa的回答是肯定的，只要能先做到控制方向，這一切在未來皆有可能。在早期的基礎研究方面，科學家們創(chuàng)造了奇奇怪怪的分子機器或者機器的部件，它們大多有著獨特的結(jié)構(gòu)、有趣的性質(zhì)。但是，分子機器不能止步于單純的有趣。目前，越來越多的研究正趨向于將分子機器功能化。

這其中，David Leigh就通過實例回答了記者，運輸貨物是可能的。2010年，David Leigh教授的團隊報道了首例通過人工合成的能夠在線性的分子軌道上定向行走的小分子體系[15]。而他們在2013年更進一步，設計并合成了能夠運載氨基酸并將氨基酸合成有序結(jié)構(gòu)的分子機器。他們通過1018個相同的分子機器同時工作，首次用“人工分子工廠”合成了毫克級別的、序列單一的多肽分子（圖9）[16]。這一工作是將分子機器功能化的杰出體現(xiàn)。

2.3 從微觀走向宏觀

可能有很多人會問，分子肌肉真的能像我們身上的肌肉那樣收縮和拉伸么？最近幾年，已經(jīng)有課題組將分子機器引入到凝膠體系中，通過微觀的分子機器運作，實現(xiàn)了功能性材料宏觀尺度的變化。例如，2016年，日本的Harada課題組將光響應的雛菊鏈式分子機器與偶氮苯結(jié)合，制備入水凝膠體系中，實現(xiàn)了通過紫外光控制凝膠的定向彎曲[17]。他們還利用該凝膠在紫外光的照射下夾起物品來實現(xiàn)機械做功。Stoddart在2016年為ChemPhysChem超分子?？珜懙木C述中寫道：“未來，我們需要直面的問題是尺寸、強度、重現(xiàn)性和效率。縱然，我們可能面對各種尺寸下可能的應用，但是我們確實應當花更多的時間和精力研究一下如何通過集合效應和放大效應，來實現(xiàn)分子機器在具有外界實體的情況下有效的遠離平衡進而做功?！?/p>

3 分子機器的前景與展望

3.1 做有用功

盡管在科學家們不懈的努力下，分子機器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)單向的轉(zhuǎn)動，并且能夠在光或者化學能的驅(qū)動下耗散能量而將體系推動到非平衡態(tài)，但是，這距離生命體中的機器仍具有很大的差距。生命體依靠高能態(tài)再進一步做功來完成各種生命過程，而在目前人工合成的分子機器中，還沒有能夠進行有效做功的實例，它們只能夠?qū)崿F(xiàn)從低能態(tài)到高能態(tài)的轉(zhuǎn)變，然而所形成的某種化學物質(zhì)的濃度梯度，或從高能態(tài)回到低能態(tài)時候釋放的能量，并沒有做出具有實際意義的功。2016年舉辦的Golden Research Conference中，分子機器領域的科學家們討論的一個關鍵問題，便是分子機器在未來應用方面能有什么突破性的進展。

3.2 分子計算機

計算機微型化已為人們的工作、學習和生活提供了極大的便利，現(xiàn)今可穿戴設備的迅速發(fā)展要求電子設備越來越小型化、低功耗。但是，計算機制造業(yè)中使用的硅芯片已經(jīng)到達其物理極限，體積無法再小，通電和斷電的頻率無法再提高，耗電量也無法再減少。同時受限于現(xiàn)在制備工藝的限制，將器件做得越小，所需要的工藝就越高。如果能夠利用分子來進行計算和存儲，將極大地提高單位體積的計算、儲存效率，并且分子計算機的能耗必然大大降低，將極大地延長設備的使用時間。實際上，科學家們已經(jīng)成功研制了基于碳納米晶體管的計算機原型機。而隨著該技術(shù)逐漸成熟我們當然會繼續(xù)問，下一步，你們是不是可以做得更小些？

3.3 納米機器人

我們可能在科幻小說中讀到過，或者自己幻想過，如果通過分子機器構(gòu)造出微小的納米機器人，是不是可以通過它們在人體內(nèi)完成特定的功能，比如清除病毒、運載藥物、修復器官破損等。人類的制造水平目前尚不能達到制造微小機器的層次，而“自下而上”的自組裝則是解決這一問題的可行途徑之一。在這方面，基于DNA分子的一些納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠完成諸如運載藥物靶向進入病毒的功能。但是，目前這類所謂的機器無法通過消耗能量做功，也就意味著還不能完成一些“主動”任務。從前文的敘述中，我們要認識到，分子機器顯著不同的特點就是，通過消耗外界提供的能量來完成做功。當然，這一過程可以與具有生物同源性的DNA、蛋白質(zhì)結(jié)合，進而產(chǎn)生生物適應性良好的機器分子。

4 分子機器獲諾貝爾獎的科學意義與啟迪

1968年，比利時化學家Prigogine提出耗散理論，自此人們開始逐漸理解，非平衡才是有序之源。而如何能像生命體那樣，從微觀尺度上的遠離平衡態(tài)中完成各種生命過程，進而最終實現(xiàn)宏觀的有序？分子機器從最小的分子尺寸上揭示了這一過程的可能性。這是非平衡理論、耗散理論在化學領域中的延伸，也是人類期望借助化學合成向生命體系模仿的實踐。

諾貝爾獎的評定標準是為人類帶來最大福祉：“For the Greatest Benefit to Mankind?！盨auvage、Stoddart和Feringa三位科學家所創(chuàng)造的分子機器的概念，就是人們通過化學合成模仿生命體系中邁出的重要一步，這將傳統(tǒng)有機化學合成帶入了一個嶄新的世界，而如何利用能量，如何去做有用功的理念也已經(jīng)深入超分子化學的許多研究分支，這無疑帶來了意義巨大的質(zhì)變。我們曾經(jīng)見證過微型計算機技術(shù)為人類帶來的便利，而我們現(xiàn)在也正在目睹機器小型化能夠為我們帶來的一切可能。正如19世紀30年代，當科學家們在實驗室里向世人炫耀那些能夠旋轉(zhuǎn)的曲柄和輪子的時候，可能他們自己也不會想到，這些奇奇怪怪的東西以后會發(fā)展出洗衣機、電風扇還有食材加工機。是這三位科學家開拓了分子機器的原型機，正如當年第一臺蒸汽機問世，一場轟轟烈烈的工業(yè)革命孕育其中一樣，在納米尺度、分子尺度上的科技革命也必定會給人類帶來無窮的裨益。

然而，正如獲獎的Stoddart教授所言，分子機器領域作為一項基礎科學研究，其經(jīng)費大多來自于政府資助，而當下越來越注重實際應用的研究氛圍極大地壓縮了這些基礎科學研究的經(jīng)費資助。而與此同時，基礎研究耗時耗力，時下國內(nèi)一些急功近利的風氣與之相悖，這也是該領域遇到的一個尷尬局面。Feringa在得獎后的電話采訪中所說，“正如萊特兄弟當年發(fā)明了飛機并且完成了第一次飛行一樣”。人們可能問，這有什么用？可能他們那時不會想象到若干年后，人們可以乘坐波音飛機跨越大陸與海洋。

最后，用Stoddart在2012年撰寫的評論文章中送給剛剛進入科研工作的年輕人的一句話作為結(jié)束：如果你是一名二十幾歲致力于科研的化學工作者，我能給你的最有價值的建議是，不論你在做什么，請確保你正在解決化學中的一個“大問題”?？v使你會踏上一條前途未知的旅途，但這一過程會給你帶來無窮的驚喜，而你也終將認為這一切經(jīng)歷都是值得的。

參考文獻：

[1]分子器件與分子機器——通向納米世界的捷徑[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[2] Richard Van Noorden， Davide Castelvecchi. Worlds tiniest machines win chemistry Nobel. Nature， 2016， （538）： 152～153.

[3] Dietrich-Buchecker， C. O.； Sauvage， J. P.； Kintzinger， J. P. Une nouvelle famille de molécules： Les métallo caténanes. Tetrahedron Lett， 1983， 24（46）： 5095～5098.

[4] Dietrich-Buchecker， C.O.； Marnot， P.A.； Sauvage， J.P. Direct Synthesis of Disubstituted Aromatic Polyimine Chelates. Tetrahedron Lett.， 1982， 23， 5291.

[5] Anelli， P. L.； Spencer， N.； Stoddart， J. F. A Molecular Shuttle. J. Am. Chem. Soc， 1991， 113 （13）： 5131～5133.

[6] Bissell， R. A.； Córdova， E.； Kaifer， A. E.； Stoddart， J. F. A Chemically and Electrochemically Switchable Molecular Shuttle. Nature， 1994， 369（6476）： 133～137.

[7] Livoreil， A.； Dietrich-Buchecker， C. O.； Sauvage， J. P. Electrochemically Triggered Swinging of a [2]-Catenate. J. Am. Chem. Soc， 1994， 116（20）： 9399～9400.

[8] Jiménez， M. C.； Dietrich-Buchecker， C.； Sauvage， J.-P. Towards Synthetic Molecular Muscles： Contraction and Stretching of a Linear Rotaxane Dimer. Angew. Chem. Int. Ed， 2000， 39（18）： 3284～3287.

[9] Badji？， J. D.； Balzani， V.； Credi， A.； Silvi， S.； Stoddart， J. F. A Molecular Elevator. Science， 2004， 303（5665）： 1845～1849.

[10] Koumura， N.； Zijlstra， R. W. J.； Delden， R. A. van； Harada， N.； Feringa， B. L. Light-Driven Monodirectional Molecular Rotor. Nature，1999， 401（6749）： 152～155.

[11][12] Kudernac， T.； Ruangsupapichat， N.； Parschau， M.； Maci. Electrically Driven Directional Motion of a FourWheeled Molecule on a Metal Surface. Nature， 2011， 479（7372）： 208～211.

[13] Qiao-Chun Wang， Da-Hui Qu，Jun Ren， Kongchang Chen，He Tian. A Lockable Light-Driven Molecular Shuttle with a Fluorescent Signal， Angew. Chem. Int. Ed， 2004， （43）： 2661～2665.

[14] Giulio Ragazzon， Massimo Baroncini， Serena Silvi， Margherita Venturi & Alberto Credi. Light-powered autonomous and directional molecular motion of a dissipative selfassembling system. Nature Nanotechnology， 2015， （10）： 70～75.

[15] Max von Delius， Edzard M. Geertsema， David A. Leigh. A synthetic small molecule that can walk down a track. Nature Chemistry， 2010， （2）： 96～101.

[16] Bartosz Lewandowski， Guillaume De Bo， John W. Ward， Marcus Papmeyer， Sonja Kuschel， María J. Aldegunde， Philipp M. E. Gramlich， Dominik Heckmann， Stephen M. Goldup， Daniel M. D Souza， Antony E. Fernandes， David A. Leigh. Sequence-Specific Peptide Synthesis by an Artificial Small-Molecule Machine. Science， 2013， 339（6116）： 189～193.

[17] Kazuhisa Iwaso， Yoshinori Takashima， Akira Harada. Fast response dry-type artificial molecular muscles with[c2]daisy chains. Nature Chemistry， 2016， （8）： 625～632.