分子机器

2016年诺贝尔化学奖授予让-皮埃尔·索瓦日、弗雷泽·斯托达特、伯纳德·费林加这三位科学家，以表彰他们在分子机器设计与合成领域的贡献。未来可能将用于开发新材料、新型传感器等。

“我感觉有点像100年前首次飞上天的莱特兄弟。那个时候人们也在问，为什么我们需要一台飞行器？”得知获得2016年诺贝尔化学奖的消息后，伯纳德·费林加在接受媒体采访时展望了分子机器的未来，“你们可以想象某种纳米级别的能量转化器，一种微小的可以储存能量和运用能量的机器。它开启的是纳米机器的新世界。”

不过，诺贝尔奖的颁发，确实让分子机器这个离日常生活有些远的名词，进入了公众视野。分子机器属于基础研究，目前在应用上还没有大的突破。一些人感慨，“没想到（诺贝尔奖）给得那么早”。

分子机器是超分子化学的一个重要研究领域。1987年，诺贝尔化学奖同样颁给了超分子化学，当时的得奖者之一莱恩，是2016年诺贝尔化学奖得主之一让-皮埃尔·索瓦日的老师。这次，诺贝尔化学奖可谓“回归化学”，颁给了一项纯粹的化学研究。有人认为，超分子化学将迎来第二春。

分子机器示意图

分子开关、分子阀门、分子转轮……实际上，分子机器是个颇为形象的称呼。中科院化学所研究员陈传峰表示，分子机器是将宏观机器的概念引申至分子水平，指在合适的外界刺激下，可以执行类似机器运动的独立分子或分子组装体。驱动分子机器运动的能量可以是各种化学能，也可以是电能、光能等。通过分子和分子之间非共价相互作用力形成的结构固定的超分子组装体，再通过酸碱、离子、光、电等外界刺激，使分子之间发生相互运动，最终实现做功。

科学家们尝试从纳米尺度上“建造机器”。他们成为分子建造师，精心合成、设计与调控，让分子动起来。

陈传峰指出，制造分子机器在分子合成、实现机器多位点运动、实现机器单方向运动以及实现机器的多种刺激—响应问题上都存在难点。“目前的分子机器还只能模拟一些比较简单的运动。”陈传峰说，本次得奖的三位化学家，为分子机器设计出了基础的零部件，但如何改良、组装和实现不同功能，仍旧“路漫漫其修远兮”。

不过，分子机器及其所属的超分子化学，确实早已是一个备受关注的前沿热门领域。2005年，在庆祝《科学》创刊125周年之际，该刊公布了125个最具挑战性的科学问题，其中之一就是“我们能推动化学组装走多远”。2009年，《自然·化学》在其创刊号上着重探讨了未来化学发展的八大领域，其中之一就是分子机器。

2007年，法国与德国科学家合作，首次成功研制出可旋转的“分子轮”，并组装出真正意义上的第一台分子机器———生物纳米机器。这个非常奇特的有机分子包括2个直径为0.7纳米、由三苯甲基分子组成的“车轮”，所有分子机器的化学结构均被固定在铜基上。“分子轮”将在复杂的纳米机器如分子卡车和分子纳米机器人制造中占有重要位置。

第一台分子机器：分子轮。

“分子机器可以搭载药物，进行药物的定点精确释放；它还可以成为微小的存储单元，进行高密度存储。”刘鸣华说，未来的分子机器有可能实现宏观世界机器无法实现的功能。“诺贝尔奖的颁发，是对新概念的鼓励，也是对这一发展方向的认可。”

目前，国内已有不少团队在进行这方面研究。其实，三位获奖者和中国化学界交流可谓频繁。斯托达特受聘于天津大学，在天津大学有实验室和项目组。他和费林加也培养出了不少中国学生，其中一些已经回国从事相关研究。

2016年10月，中科院院士、华东理工大学教授田禾团队与荷兰、瑞典的科学家合作，在光响应分子机器研究领域取得进展，构建了一种通过单一主客体实现可调控发光的分子机器体系。相关成果在线发表于《美国化学会志》。

基于主客体识别的功能性分子机器是超分子化学领域的研究热点，通过单一荧光化合物体系实现多色发光，特别是白光发射，非常困难。田禾团队构建了一个基于γ-环糊精（γ-CD）主体和由联萘酚连接紫精、香豆素的荧光客体分子的主客体分子机器体系。该分子机器体系的荧光发射性能具有多重响应性，能够对不同激发波长和γ-环糊精主体包结比例差异而具有不同的荧光发射性能。在特定的激发波长的激发下，该体系能够实现白光发射。

“这种通过单一主客体实现可调控发光的分子机器体系，在信息处理和发光显示领域有着良好的潜在应用价值。”该团队成员、华东理工大学教授马骧表示。

该研究团队率先报道了酸碱驱动并具有室温磷光发射功能的轮烷分子机器，构建了可以酸碱驱动并具有室温磷光发射功能的基于葫芦脲大环主体的分子机器；通过不同波长光可逆调控组装形貌和构象的超分子聚合物，构建了具有高效室温磷光发射的纯有机聚合物材料，发展了具有光响应性能的室温磷光发射的纯有机主客体超分子聚合物及水凝胶材料。