分子机器的设计和合成

  我们都知道，所有的化学反应都会自发地向平衡状态移动，而化学平衡是能量最低的一种状态。而这种能量降低、熵增大的趋势在许多情况下使我们无法实现期望的目标。但目前科学家掌握的一种新技术已经可以推动分子系统远离所谓的平衡，将化学研究带入一个全新维度。

  就在2016年，让-皮埃尔·索瓦（Jean-PierreSauvage），詹姆斯·弗雷泽·斯托达特（James Fraser Stoddart）和伯纳德·L·费林加（Bernard Lucas Feringa）因“分子机器的设计和合成”获得了诺贝尔化学奖。

分子机器的定义为：能在适当的外部刺激(输入)下执行机器动作结果(输出)的不同数量分子组装的组件设计。分子机器需要消耗能量，可以被合适能量供应驱动，所以分子机器只要获得能量，就可以实现可控运动。

实现分子机器

 第一步

  迈向分子机器的第一步是索瓦于1983年实现的，他成功将两个环状分子扣在一起，形成一种名为“索烃”的链条。通常，分子是由原子间共享电子对构成的强共价键连接而成，而“索烃”链上的分子间主要依靠相对较为自由的机械相互作用连接，不被任何价键连接。对于一个能够完成特定任务的机器来说，必须有能够相互移动的部件组成，而索瓦日实现了两个互锁环状分子的相对移动。

第二步

1991年，斯托达特实现了分子机器诞生的第二步，他成功合成了“轮烷”。轮烷是一个或多个环状分子和一个或多个哑铃状的线形分子为轴组成的分子集合。哑铃状的线形分子作轴穿过环状分子的空腔，两端结合有体积较大分子以防止线形分子滑出，从而形成了稳定的轮烷结构。

  基于上述研究成果，斯托达特的研究团队先后成功实现环状分子在线形分子表面上升0.7纳米的“分子电梯”，用轮烷构成的“分子肌肉”成功弯折了一块很薄的金箔，还开发出一种基于轮烷的计算机芯片，被认为在将来有望颠覆传统的计算机芯片技术。

第三步

  费林加是研发出分子马达（分子发动机）的第一人。1999年，他研制了一个分子转子叶片，叶片能够朝着同一方向持续旋转。这个马达可以让一个28微米长、比马达本身大1万倍的玻璃缸旋转起来。2011年，费林加的研究小组在分子马达的基础上制造了一款四驱纳米汽车，一个分子底盘将4个分子马达连接在一起作为轮子，当分子马达旋转时，纳米汽车就能向前行驶。

  今天，我们正处于一个新巨大革命时代的前夜，人类一直努力在机器的微型方向发展，机器小型化的极限目标是制作出分子机器，分子机器研究领域也一直是科学家努力的方向。

        虽然现在的分子机器仍然属于婴儿时期，实际应用仍然需要假以时日，但是今年的化学诺贝尔奖获得者给我们制造分子机器奠定了坚实基础，使人类制造和设计分子机器成为现实。