這三位獲獎?wù)甙l(fā)明了“世界上最小的機器”，這一發(fā)明將化學(xué)研究推向了一個全新的維度，從而使分子的行動具有可控性。 
杰出的美國物理學(xué)家、諾貝爾獎得主理查德•費曼先生，曾經(jīng)在1984年提出了一個問題：“制造極其微小的、有可移動部件的機器的可能性有多大？” 
而2016年諾貝爾化學(xué)獎則很好地回答了這個問題：人類目前已經(jīng)能夠做出相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑千分之一大小的機器。 
那么登上諾貝爾領(lǐng)獎臺的分子機器究竟什么來頭？制造這號稱世界上最小的機器究竟有多大的難度？它又能夠為人類帶來怎樣的福音呢？下面就讓小編帶您走進分子機器的微妙世界。

圖1 2016諾貝爾化學(xué)獎三位獲獎科學(xué)家（左起：索維奇、斯托達特、費林加）

這個“機器”不簡單 
　　一提到機器，我們首先都會聯(lián)想到金屬材質(zhì)的大型機器。然而我們這里要講的分子機器，是指由分子尺度的物質(zhì)構(gòu)成、能行使某種加工功能的機器，其構(gòu)件主要是蛋白質(zhì)等生物分子。簡單地說，分子機器就是由三位科學(xué)家通過人工創(chuàng)造的一種比納米尺度還小的新物質(zhì)。這種分子特別小，是以原子為材料，可以稱之為目前世界上的最小機器。這種“世界上最小的機器”是在分子層面上設(shè)計開發(fā)出來的機器，可以進行可控的運動，在向其充能時可移動執(zhí)行特定任務(wù)。諾貝爾獎委員會表示，分子機器將最有可能應(yīng)用于開發(fā)新的材料、傳感器和能量存儲系統(tǒng)。 
其實，存在于生物體系里的分子機器無處不在，比如血紅蛋白對氧氣和二氧化碳的傳送，細胞運送各種離子等，都是依靠生物分子機器運作的結(jié)果，這些生物分子機器就像宏觀的汽車、飛機一樣，驅(qū)動著生物體的微觀體系，并偏離平衡態(tài)，從而做功和維護生命過程。此次獲得諾貝爾化學(xué)獎的三位科學(xué)家，開創(chuàng)了一種新的可能：生物體內(nèi)那些像機器一樣運轉(zhuǎn)的東西，可以利用基本的非生命體化合物來合成，并用這些非生命體的分子機器來模擬生命體的分子機器的運轉(zhuǎn)，從而開啟一個新的時代。同時，人類研究生物體不再是簡單地用生物的方法去研究，而開始用化學(xué)的方法去模擬未來的世界。

圖2分子馬達轉(zhuǎn)動示意圖

“三步走”造出分子機器 
　　作為世界上最小的機器，實現(xiàn)納米尺度上的驅(qū)動與空寂，難度可想而知。相較于技術(shù)操作上的高難度，分子機器的設(shè)計原理就簡單許多。通常，分子是由原子間形成的共價鍵組成的，比如兩個氫原子和一個氧原子由共價鍵連接形成水分子。但是，分子機器卻是在非共價鍵弱相互作用力下由不同的構(gòu)筑基元組裝而成，就像堆積木，不同形態(tài)的積木組合成不同的結(jié)構(gòu)，而后通過化學(xué)反應(yīng)使這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)固下來。
那么，科學(xué)家又是怎樣一步一步實現(xiàn)了分子機器的組裝呢？ 
首先，索維奇在1983年成功完成了構(gòu)建分子機器的第一步。他將兩個互扣的可以彼此互相運動的環(huán)形分子套在一起，形成一個穩(wěn)定的超分子結(jié)構(gòu)，稱為“索烴”。通常情況下，分子之間通過強共價鍵也就是共用電子的方式相結(jié)合，但是在索烴這種鏈狀分子中，分子間形成了自由的機械結(jié)合，這樣它的各個組成部分之間就可以像機器一樣可以相對運動從而執(zhí)行任務(wù)。 
隨后，斯托達特在1991年完成了研發(fā)分子機器的第二步，他研究出了“輪烷”——一種環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)與軸狀分子結(jié)構(gòu)的機械結(jié)合體。他將一個環(huán)狀分子環(huán)穿到一個鏈狀結(jié)構(gòu)分子軸上，并且利用環(huán)狀分子的自由性使其繞軸往復(fù)移動，做到對其運動狀態(tài)的完全控制。在輪烷研究的基礎(chǔ)之上，他成功制造出了大量不同的分子機器，其中包括分子起重機，分子肌肉和基于分子的計算機芯片。 
而費林加則完成了第三步，成功開發(fā)出了世界上第一個分子馬達。1999年，費林加發(fā)明出了可以向同一個方向不停旋轉(zhuǎn)的分子轉(zhuǎn)子葉片：它含有兩個相同的葉片單元，當(dāng)分子被暴露在紫外線光的脈沖下，一個動葉片圍繞中間的雙鍵跳了180度。然后，棘輪移動到指定位置。隨著下一個光脈沖的帶來，動葉片又跳了180度。如此持續(xù)下去，分子馬達就會朝同一個方向旋轉(zhuǎn)起來�，F(xiàn)在他的研究小組已經(jīng)將其優(yōu)化，轉(zhuǎn)速可達每秒1200萬轉(zhuǎn)。利用分子馬達，他驅(qū)動了一個28微米長、比馬達本身大1萬倍的玻璃圓筒。 
小身材內(nèi)蘊藏著無限可能 
獲獎當(dāng)天，索瓦吉在答復(fù)瑞典皇家科學(xué)院的提問時稱，他自我感覺像是一百多年前首次實現(xiàn)人類飛行夢想的萊特兄弟。當(dāng)時人們還對為何發(fā)明飛行器心存疑問，“但是，我們現(xiàn)在已經(jīng)有了波音和空客。”
其實分子機器之于我們就如電動機之于19世紀的人們，那時的人們也沒有想到這些線圈和磁石會化為電車、洗衣機等生活中的重要角色走進千家萬戶。 
科學(xué)家們表示，未來分子機器的應(yīng)用前景將是“無限的”：分子機器可以搭載藥物，進行藥物的定點精確釋放；它還可以成為微小的存儲單元，進行高密度存儲等。 
科學(xué)家認為，分子機器的誕生是一次具有深遠意義的革命，很有可能做出在血管中流動的機器人，然后找到惡性腫瘤組織，釋放治癌藥物，徹底攻克癌癥。除了可以用于治療疾病，考慮到分子機器大小僅有頭發(fā)粗細的千分之一，還可以將其置于體內(nèi)監(jiān)測人體的健康狀況，應(yīng)用于預(yù)防疾病等方面。

圖3 分子馬達第一人——伯納德•L•費林加（Bernard L.Feringa）

　　今年的諾貝爾化學(xué)獎無疑是對分子機器領(lǐng)域發(fā)展方向的肯定，分子機器的出現(xiàn)就像19世紀30年代出現(xiàn)電機一樣，勢必成為之后幾年研究關(guān)注的焦點領(lǐng)域，這一領(lǐng)域雖然距離馬上有實際應(yīng)用還很遙遠，但讓人看到如何在分子水平控制機器運動，令人震撼。分子機器未來一定可以成功敲開應(yīng)用的大門，推動人類文明進程滾滾前進！