分子机器

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分子机器（Molecular machines）是由分子尺度的物质构成、能行使某种加工功能的机器，其构件主要是蛋白质等生物分子。分子机器的尺寸多为纳米级，又称生物纳米机器，具有小尺寸、多样性、自指导、有机组成、自组装、准确高效、分子柔性、自适应、仅依靠化学能或热能驱动、分子调剂等其他人造机器难以比拟的性能，对研究生物纳米机器具有重大意义。它可以促进生物学发现，深入认识蛋白质分子机器机制，开发生物分子机器和促进仿生学发展。

目录

研究历史

从20世纪90年代起，法国图卢兹材料设计和结构研究中心就已着手研制分子机器。

1998年，成功合成平面分子车轮。

2005年，首次研制出分子发动机。

2007年，研制出的“分子轮”是第一台真正的分子机器。这个非常奇特的分子包括2个直径为0.7纳米，由三苯甲基分子组成，被固定在长0.6纳米的轴上的“车轮”。所有分子机器的化学结构均被固定在铜基上。

科学家让-彼埃尔·索瓦与詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特、伯纳德·费灵格共同研究分子机器的设计和合成，他们开发出比人类头发丝直径还要小1000倍的分子机器。分子机器是一个有关他们如何成功地将分子连接起来，设计出微型电梯，微型马达以及微型肌肉的故事。

分子诞生

分子机器是纳米研究领域的重点。

2007年， 法国图卢兹材料设计和结构研究中心与德国柏林大学科学家就在美国《自然纳米技术》 杂志上共同发布一项重要成果：成功研制出可旋转的“分子轮”，并组装出了真正意义上的第一台生物分子机器。

动力来源

分子机器的动力来源主要有 化学驱动、电驱动和光驱动，比如ATP合成酶转子是由于质子的流动而旋转，这属于化学驱动；索烃是由于铜离子电子的得失而行使其功能，属于电驱动；而分子蠕虫的“前进”是光照引起了偶氮分子构象的改变引起的，这属于光驱动。

发展前景

从分子机器人能够在生物体内自动生成来设想，其最初的应用似乎应是以医疗等领域为中心。比如针对病毒的分子机器人，也许可以通过研发分子钳予以实现。加工分子钳前端的部件，使它只能与特定的病毒相结合。而且，可以利用分子钳那样的分子机器人，向癌肿部位集中送达药剂等。 随着生物技术水准的迅速进步，这样的生物技术药物可能会很快地代替现有药物，为人类创造更好的福祉，可是这些构建出来的融合蛋白还远远未能表达出人们所企求的结构和功能水准——人工多结构域“蛋白质机器”所应该具有的理想境界，充其量它们只能算作是蛋白质分子机器的一个雏形。现在，正有科学家试图把如此重要的机械在分子尺寸上组装起来，制造一种极其微小的装置，科学家意图使用这种装置来操控别的分子，运用于医学可以用来清除肌体深处的病毒、癌细胞等，它们具有不可限量的应用前景。

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人这种新科技的战略高地。《机器人时代》月刊日前指出：分子机器人潜在用途十分广泛，其中特别重要的就是应用于医疗和军事领域。

每一种新科技的出现，似乎都包涵着无限可能。用不了多久，个头只有分子大小的神奇分子机器人将源源不断地进入人类的日常生活。

物质软件 物质将成为软件——不是印错了，确实是“物质将成为软件”。其结果是：我们将不仅能够利用因特网下载软件。还能下载硬件。以上是迈特公司纳米技术权威詹姆斯.埃伦博根作出的预测。该公司是五角大楼资助的、设在弗吉尼亚州麦克莱恩的一家研究中心。

纳米是1米的十亿分之一，纳米技术是指制造体积不超过数百个纳米的物体，其宽度只有几十个原子聚集在一起的宽度。把自动组装生产装置缩小到如此规模。制造业受到的影响是相当明显的：整个生产行业可能被彻底改造。它有可能在21世纪的头十年里从半导体生产开始，然后扩展到诸如蜂窝电话等小型 产品的生产。

埃伦博根对他提出的物质变软件的景象作了引人入胜的解释：“人们可以想一想当今下载软件是什么情形，是以改变分子团磁性特征的方式重新安排磁盘的物质结构。如果计算机的内容不超过分子团的体积，就可以通过重新安排磁盘上的分子制造芯片。”埃伦博根说，研究人员已经忙于研制体积只有针头大的计算机，“这种纳米计算机的各个部件比我们现今用于在磁盘驱动器上装载信息的有形结构小得多。因此，在不久之后的某一天，我们将能够像今天下载软件一样从网络里下载硬件。”

新的磁盘驱动将需要以有形的方式复制一些硬件下载。一种设想是用极为尖细的点束制造一种读写磁头，以某种方式刺激原子和分子。

埃伦博根说：“一旦我们掌握了制造体积不超过盐粒大的计算机的技术，我们就会从根本上来说处于一种新的形势。”体积那么微小的计算机将非常便宜，因而随处都可以使用计算机。嵌在内衣里的计算机将告诉洗衣机应当用什么水温洗涤内衣。圆珠笔笔芯中的墨水即将用完的时候，嵌在笔中的计算机将提醒你更换笔芯。嵌在鞋里的计算机将向汽车发出信号，把主人走过来的信息通知汽车，让汽车调整好座位和反光镜并打开车门。

纳米盒 这种物质变软件的关键是纳米盒。这是一种把纳米制造技术与现今所谓的台式制造方法相结合的未来复印机。如果你需要一部新的蜂窝电话，你可以通过网络购买一种制作蜂窝电话的方法。它将告诉你插入一个塑料片，把导电分子注入“色粉”盒中。纳米盒将把塑料片来回移动，记下分子的型式，然后通过电子指引分子自行组装成电路和天线。下一步是：纳米盒利用不同的“色粉”加上号码键、扬声器和麦克风，最后制造外壳。

不要指望在2020年以前能出现这种精巧的小装置，这种纳米“机床”的研制起始于2005年。在随后的10年间，纳米制造系统可能被用于生产“记录载体”，即初步生产纳米芯片。

纳米技术的一个分支称为分子电子研究2007年7月朝着实现这个目标取得了具体的进展。由洛杉矶加利福尼亚大学和惠普实验室科学家组成的研究小组找到了一种由分子自行组装的所谓的“逻辑”门——使分子的开合在逻辑上与实际中都等同于电路的开关。惠普实验室研究人员菲利普.库克斯说，这个研究小组下一步的目标是缩小芯片上的线路，旨在生产出“单面体积为100纳米的芯片”。他还说：“目前的芯片生产成本之所以非常昂贵，是因为生产机械需要有极高的精确度。但是采用化学方法制造，我们可以像柯达公司生产胶片那样——生产出长卷，然后只需切成小块就行了。”

这样的设想引起了华盛顿的兴趣。美国国防部高级研究计划局7个月前开始实施一项分子电子研究计划。国会似乎急切地想大大增加纳米技术的研究经费。一项计划将使纳米技术目前2.32亿美元的研究经费在今后3年中翻一番。白宫可能也会表示赞成，因为白宫已经把纳米技术列入11个关键研究领域。

尘埃机器 迈特公司埃伦博根领导的研究人员在本月中旬取得的最新成果是设计出一种用于组装纳米制造系统的微型机器人。目前设计出的这种机器人的长度约为5毫米。但是，假设能利用纳米制造技术使这种机器人的体积不断缩小，它最终的体积可能不会超过灰尘的微粒。

体积那么微小的机器人能够像展望研究所创始人埃里克.德雷克斯勒设想的那样，可以用于操纵单个原子。德雷克斯勒在 1986年出版的《创造的发动机》一书中对纳米技术的潜在用途作了一番引人入胜的描述。是德雷克斯勒开创了纳米技术时代，并启发人们作出如下的种种设想：成群的肉眼看不见的微型机器人在地毯上或书架上爬行，把灰尘分解成原子，使原子复原成餐巾、肥皂或纳米计算机等诸如此类的东西。

虽然用原子制造计算机仍然是一个相对遥远的梦想，但是埃伦博根认为很快能取得研究成果。他说：“我敢打赌，这能在近期内研究成功。”这似乎是为纳米技术下的一个大胆的赌注。

分子机器，离我们并不遥远

到2020年，你只要通过网络购买一份 个人电脑"配方"， 然后将可塑性导电分子插入你的"纳米盒"中，该设备就会按 配方造出一台你所需要的电脑。

硬件软件化，这并不是印刷错误。"硬件将会软件化。 因此，利用因特网将不仅可以下载软件，而且还可以下载硬件。"Mitre公司负责纳米技术研究的艾伦博根这样预言，Mitre公 司是由美国国防部资助的一个研究中心。

纳米技术，就是制造小于几百个纳米器件的工艺，其尺寸也就是数十个排成一列的原子的跨度。将自动化装配降低到如此小的尺寸，显然会给所有的生产制造部门带来强大的冲击。在2010年，这种纳米技术可能首先会在半导体器件上取得 突破，然后是其它微小器件，如蜂窝电话等。

艾伦博根就硬件软件化的 设想，举了一个很 实际的例子。" 今天，当你 下载软件时，仔细思考一下所发生的过程，其实你不过是在通过改变分子簇的磁性，从而重排磁盘上的物质结构！"如果计算机内置比那些分子簇还要小，就可以重排磁盘上的分子来制造芯片。研究人员已经在着手开发一种针头大小的计算机。"这些构成纳米计算机的部件，要比我们现在所制造的、用于在磁盘驱动器中保存信息的物质结构小得多。"艾伦博根说道，"也许，在不久的将来，我们从网络上 下载硬件就像我们今天下载软件一样容易！"

新的磁盘驱动器将用来 复制一些下载的硬件。其中一种方法是用一簇非常锐利细小的针尖来制作一种读写磁头，以便轻轻移动原子或分子。斯坦福大学的夸特和康奈尔大学的马夫德尔领导的两个研究小组正在进行相关工作，利用隧道扫描电镜的探针或相关的工具来移动原子。 1990年，美国加州IBM研究中心的物理学家艾格勒首次成功地在镍片上利用35个氙原子 拼出了"IBM"三个字母。

"一旦我们 拥有制造盐粒大小的计算机的技术，我们将处在一个全新的天地里。"艾伦博根说道。如此小的计算机将会非常便宜，因而它们将到处可见。这种微型计算机可以提醒洗衣机当前的水温是多少；当原珠笔墨水变少时，它会闪烁报警；当你的鞋中装有这种微型计算机时，你的汽车就会知道你正在走近它，从而调整座位、镜子并打开车门。

硬件软件化的关键技术是纳米盒。它是一种将纳米制作技术与今天所谓的桌面制作法结合起来的未来复制机器，主要用来快速复制新产品。如果你需要一部移动电话，可以通过网络购买一个配方，它会告诉你在"调色"箱中插入一块塑片，并喷入导电分子。纳米盒将反复扫描塑片，记下分子的图案，然后引导它们自动组装成线路、天线。下一步，使用不同的调色箱，纳米盒将制出微型键盘、 扬声器、 麦克风，最后制成所需的实体。这种微型装置可能到2020年左右才会问世。首次从网络上实现下载纳米电脑线路的实验，估计也得等到 2005年之后。

这一目标的实质性突破，来自于纳米技术的分支--分子电子学的发展。美国加州大学和惠普实验室的研究小组展示了他们利用分子自组装制造的所谓的逻辑门。接下来，研究小组所要做的就是将这些布线缩小在芯片上，制造纳米级的芯片。在100纳米尺寸内制造芯片，其费用目前相当昂贵。美国国防高级研究工程处已经发起了一个名为分子电子学的项目。国会也希望能够在纳米技术研究上投入更多的经费，其中一个计划就是在3年内将目前用于纳米研究的23.2亿美元预算翻一番。白宫已经将纳米技术定为11项核心技术领域之一。

让我们再次回到Mitre公司。1999年8月中旬，艾伦博根所在的研究小组成功设计了一种可以帮助装配纳米制造系统的微型机器人。目前，这种微型机器人一边长约5毫米，即1/6英寸。设想这些机器人利用纳米技术进一步制造比它们自己更小的机 器人，那么最终的机器人将会比尘埃还要小。

如此之小的机器人，将会实现德雷克斯勒关于操纵单个原子的纳米机器人的幻想。实质上，德雷克斯勒开创了纳米技术时代，并提出了许多富有灵感的想法，如纳米机器人漫游在地毯、架子上，将尘埃拆分为原子，然后将其重新组合为餐巾、肥皂或其它任何物体-- 包括纳米计算机。

虽然利用一个个原子来制造计算机目前还是一个遥远的梦想，但是艾伦博根却持乐观态度，他认为很快会有结果："我可以打赌，分子电子学将会实现这个近期目标。"

研究获奖

瑞典斯德哥尔摩当地时间2016年10月5日11时45分，让-彼埃尔·索瓦与詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特、伯纳德·费灵格因“在分子机器的设计和合成”方面的贡献获2016年诺贝尔化学奖。