拼装最小乐高机器人

科学家成功将分子变为开关、发动机和棘轮

一台分子“纳米汽车”沿着金属表面穿行。图片来源：Karl-Heinz Ernst

这或许是来自一家高科技工厂的一幕，只是这条流水线只有几纳米长。

机器人沿着轨道缓慢移动着，并且有规律地停顿，以便伸出小心翼翼地将组件捡起来的手臂。手臂将组件连接到机器人后背上的精细构造，然后机器人向前移动并且重复这一过程——根据精确的设计，有条不紊地将零部件串在一起。

这或许是来自一家高科技工厂的一幕，只是这条流水线只有几纳米长。组件是氨基酸，产品是小肽，由英国曼彻斯特大学化学家David Leigh创建的机器人则是曾经设计出的最复杂的分子级机器。

这并非个例。Leigh是日益增多的分子“建筑师”队伍中的一员。他们受到启发，模拟在活体细胞中发现的像机器一样的生物分子。过去25年里，这些研究人员设计出一系列令人印象深刻的开关、棘轮、发动机、推进器，甚至更多——就像它们是纳米尺度的乐高部件一样，能被集成在一起成为分子机械。与此同时，多亏了分析化学工具和使建造大型有机分子更加简单的反应的改进，进展正在加速。

创建分子梭

很多今天的分子机器都可追溯至一个由目前在美国西北大学就职的化学家Fraser Stoddart于1991年建造的相对简单的设备。那是一个被称为轮烷的组合体，其中环状分子被一个“轴”穿过，而“轴”是两端均由体积较大的“塞子”堵住的线性分子。这个特殊的“轴”所包含的是在链的每一端能绑定到环状分子上的两个化学基团。Stoddart发现，环状分子能在这两个点之间来回移动，从而创建了首个分子梭。

1994年，Stoddart改进了设计，使得“轴”拥有两个不同的结合位点。分子梭存在于溶液中，改变液体的酸度则能迫使环状分子从一个地点移动到另一个地点，从而使分子梭成为一个换向开关。类似的分子开关也许有朝一日能被用于对热、光或特定化学物质作出响应，或者打开纳米尺度集装箱“舱口”以便将载有药物分子的“货船”在适当的时间运送到人体内位置正确的传感器上。

同来自加州理工学院的James Heath一起，Stoddart利用上百万个轮烷制造出存储设备。夹在硅和钛的电极之间，轮烷能通过电流切换从一个状态变为另一个状态，并且被用于记录数据。这种分子“算盘”约有13微米宽，并且包含16万比特，而每一比特都由几百个轮烷构成——密度约为每平方厘米100吉比特，可同今天最好的商业化硬盘驱动器相媲美。

不过，“开关”并不是很给力，通常在不到100次循环后便会散架。一种可能的解决方法是将它们装载入被称为金属有机骨架（MOF）的坚硬、多孔晶体中。今年早些时候，来自加拿大温莎大学的Robert Schurko和Stephen Loeb证实，他们能将约1021个分子梭打包装进1立方厘米的MOF中。上个月，Stoddart公开了一种不同的MOF，其中包含有开关控制的轮烷。这种MOF被安装在电极上，而轮烷能通过改变电压一起被开启或关闭。

纳米发动机

1999年，在早期的分子梭和开关试验之后，该领域随着首个合成分子发动机的创建而向前迈进了一大步。分子发动机由荷兰格罗宁根大学化学家Ben Fering领导的团队建造，是一个包含由碳—碳双键连接在一起的两个相同“船桨”元件的单个分子。研究人员将“船桨”固定在某个位置，直到一束光将部分化学键打破，使“船桨”得以旋转。至关重要的是，“船浆”的形状意味着它们只会朝一个方向转，而且只要有光和一些热量的供应，发动机将会保持旋转。

Feringa继续利用类似的分子发动机创建了四轮驱动的“纳米汽车”。他还证实，发动机能为液态晶体提供足够的旋转力，从而使发动机上面的玻璃棒缓慢转动。玻璃棒有28微米长，是发动机大小的几千倍。

一些化学家认为，尽管这些发动机很可爱，但最终将一无是处。“对于人造发动机，我一直有所怀疑——它们太难制造，也很难按比例扩大。”德国慕尼黑大学化学家Dirk Trauner表示。

不过，它们背后的化学原理可能确实很有用。利用相同的光激活机制，研究人员开发出约100种能根据对光的响应开启或关闭的类药性化合物。

Trauner和以色列魏兹曼科学研究院化学家Rafal Klajn认为，主要的挑战将是说服行事谨慎的制药行业，使其相信这些光控药物有着很大潜力，即使它们并未在人类中有过追踪记录。“一旦他们看到了价值，我们将会处于很好的状态。”

两个不同发展方向

在对打造能真正做一些有用事情的分子机器的求索中，研究人员正开始将一些不同的组件集成到单一设备中。今年5月，Stoddart公布了一种可将两个环状分子从溶液中“拉”出来放到存储链上的人造分子泵。每个环状分子套在位于链一端的“塞子”上，并且被有开关控制的结合点吸引。转动开关能推动环状分子跨越存储链更远处的第二道屏障，而环状分子在此到达等候区。

这一系统无法传送任何其他类型的分子，并且经过反复尝试修正才得以建造成功。“这是一条漫长的道路。”Stoddart感叹说。不过，它证实分子机器能被用于集聚分子，并且以和生物学迫使离子或分子形成浓度梯度创造丰富的潜在能量相同的方式，推动化学系统进入非平衡态。“我们正在学习如何设计能量棘轮。”

Stoddart同时表示，此类成果能使该领域朝两个主要方向发展：保持在纳米尺度下赋予这些机器一些无法通过任何其他方法实现的分子级任务；或者往宏观方向发展，同时利用上万亿台机器改造材料或移动大量货物，就像一大群蚂蚁那样。

或许，纳米方法的最好例子是Leigh的分子流水线。受到核糖体启发，它基于将来自“轴”的氨基酸捡起并添加到不断增长的肽链中的轮烷系统。不过，这一设备或许有着宏观上的应用。在36个小时内，1018台共同工作的设备能产生几毫克的肽。“它无法做那些你在实验室里半个小时内做不出来的事情。”Leigh说，但它证实，你可以拥有一台沿着轨道向下移动、将分子“积木”捡起并且组合在一起的机器。目前，Leigh正在致力于开发其他版本的机器，以制造用于量身定制的具有材料属性的链段化聚合物。

相反，上万亿台共同工作的分子机器也能改变宏观世界中的材料属性。例如，根据对光或化学物质所作出响应而膨胀或收缩的凝胶，能扮演可调节镜头或传感器的角色。“在接下来的5年里，我敢打赌你将会得到第一批包含了开关的智能材料。”Feringa说。（宗华）