世界上最小的机器

杨先碧

你能想到世界上最小的机器有多小吗？螺丝那么大，针尖那么大，灰尘那么大，看不见的病毒那么大？都不对。世界上最小的机器是肉眼看不到的分子机器，它们比细胞和病毒还要小。来自法国的皮埃尔·索维奇教授、美国的弗雷泽·斯托达特教授以及荷兰的伯纳德·费林加教授，因为研究这些分子机器获得重大突破，而获得了2016年诺贝尔化学奖。

制造分子机器三步走

制造分子机器的最初构想要回溯到1950年。当时，美国著名物理学家理查德·费曼第一次提出，未来可以制造微小机械让其能够实施各种各样的作业。从那以后，制造分子机器就成为人类梦寐以求的向往。

分子机器是指在分子层面的微观尺度上设计开发出来的机器，向这些“小家伙”提供能量后，它们可以在微小的空间内移动并执行特殊的任务。由于分子机器尺寸往往只有几纳米到几十纳米，大约是头发丝直径的千分之一，因此分子機器又常常被称为纳米机器。2016年诺贝尔化学奖得主之一的斯托达特说：“分子机器不是一夜之间就能发生的。这需要很长时间和很多优秀人才的共同努力。”

在长达30多年的时间里，三位获奖者完成了分子机器设计与合成的“三步走”。

第一步：组装

迈向分子机器的第一步是索维奇于1983年实现的，他成功将两个环状分子扣在一起，形成名为“索烃”的分子机器。这种机器有些像我们的自行车链条的一部分，不过更像我们玩过的“九连环”玩具。它们由两个或多个互相锁在一起的环状分子组成，而且这两个分子能够相对移动。

第二步：转起来

斯托达特完成了第二步，他合成了名为“轮烷”的分子机器。这种机器由一个环状分子和一个哑铃状的线性分子组成，就像轮胎套在车轴承一样。

第三步：动起来

费林加完成了第三步，他设计出了能向一个特定方向旋转的分子马达。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微型玻璃缸旋转起来。这个微型玻璃缸虽然直径和高度都只有28微米，但是它比分子马达本身大1万倍。

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。这种纳米汽车有望在微小空间内运输特殊化学物质。目前，科学家还在研究怎样把多个分子马达组合，或把它们和其他分子联系，组成一个稍微“复杂”的机器。在实验室里，科学家已经做成了由350个原子组成的螺旋桨。

分子机器有啥用

理解分子机器的工作原理，对绝大多数人来说，都非常有难度。不过，了解一下分子机器的作用，就没这么难了。下面我们就来看看分子机器的作用吧。

人类最终的梦想是让分子机器跟我们生活中常见的机器一样，完成复杂的操作。费林加对其获奖成就解释说：“一旦在分子层面控制了运动，就为控制其他各种形式的运动提供了可能。这一研究成果为未来新材料的研发开启了广阔前景。”

除了在科研和工业上的用途外，分子机器将改变未来的医疗，极大地为我们健康服务。未来，我们可能注射各种各样的分子机器进入我们的身体，让它们成为我们的健康卫士。

现在我们吃药，药性往往是通过血液循环经过全身。这些药既能够在病变部位停留，也会在没有病的地方停留，这样会对没有病的部位带来或多或少的影响，所以有“是药三分毒”的说法。在未来，携带药物的分子机器可以定向抵达我们的病变部位，然后停下来，再慢慢释放药物。这些分子机器“定点治疗”病变部位，不但疗效快，而且不会对身体其他部位带来伤害，因此不会产生毒副作用。

我们身体内会产生不少废弃物，这些废弃物并不能完全随着汗液或粪便排出体外，一些残留废弃物就堆积在我们体内的血管或其他组织、器官内，给我们的健康带来伤害。一些肩负“清淤”功能的分子机器就奔向这些“垃圾堆积处”，挖走废弃物，然后随着粪便排出体外。

这些分子机器甚至可以直接攻击病变部位，比如癌细胞，把癌细胞一个一个地彻底消灭，让癌症患者恢复健康。总之，未来升级版的分子机器将成为我们身体内优秀的“杀毒软件”，让我们的身体一直处于最佳的运行状态。

目前，不少国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占分子机器这种新科技的战略高地。每一种新科技的出现，似乎都包含着无限可能。在不久的将来，神奇的分子机器将源源不断地进入人类的日常生活。

19世纪30年代，电动马达被发明出来时，很少有人明白它能做什么，连当时最优秀的科学家都未曾想过它会在电气火车、洗衣机、电风扇上等被广泛运用。1919年，当第一架飞机刚被创造出来时，人们不屑地质疑莱特兄弟：“它能有什么用处？”没想到一个世纪过去后，庞大的航空业早已是人类交通不可或缺的组成部分。同样的，分子机器的发明虽然还只是实验室中的“雕虫小技”，然而未来，这貌似不起眼的“小玩意儿”，却有可能引起一场微观领域的大革命。未来，我们拭目以待！