細看分子機器人

我們周圍隨處可見形形色色的工具和機械，從鉗子這樣的小東西到傳送帶、吊車這樣的龐然大物。科學家正試圖把對人類來說如此重要的機械在分子尺寸上組裝起來，制造一種極其微小的裝置，這種裝置被稱為“分子機器人”或“分子機器”，這種裝置還能用來操控別的分子。

分子機器人有多大?

“機囂人”被定義為“把操作和作業作為目的，能自動運行的機械或裝置”，如此說來并不限于所謂“人形機器人”。而“分子機器人”就是在分子尺寸上制造的機器人，其長短大小僅相當于1納米左右(1納米是1米的10億分之一)。原子的大小大約在0.1納米左右，分子機器人其實就是把數十個或者數百個原子組合起來制成的機器人。

如果能令如此微小的分子機器人隨意支配或者加工其他分子的話，那就是一件令科學家十分稱心的事了，比如科學家可憑此制造出與病毒作斗爭的分子機器人，把這種分子機器人送入人體內，它們就能自動清除構成病毒的分子；或者讓它們去執行摧毀癌細胞的任務等等。

制造分子機器人的最初構想要回溯到半個多世紀前的1950年。美國著名物理學家理查德·費曼第一次提出，未來制造微小機械讓其執行各種各樣作業將成為可能。盡管費曼并沒有提出分子機器人的具體概念，但是從那以后，制造分子機器人就成為人類夢寐以求的向往。不過科學技術的發展進程并非輕而易舉，單單操作納米尺度上的原子、分子就極其困難，況且科學家組裝起來的還必須是“把操作和作業作為目的，能自動運行”的機械。

分子機器人的“發動機”

對一般機械，如汽車來說，動力是必不可少的。對分子機器人來說也是如此，若干種相當于發動機的裝置正在研制中。比如偶氮苯分子，這種分子是將兩個苯環用兩個氮原子連接而成的。有趣的是，在不同的光照下，偶氮苯的構造會發生變化：當照射紫外線的時候，苯環之間彼此距離會縮短；當照射可見光的時候，苯環彼此之間距離會伸長。如果能讓收縮和伸長這兩個動作多次往復進行，那么，靠光照運行的機器人就呼之欲出了。

還有一種雙環結構也可以充當分子機器人的“發動機”，有人把其稱為分子尺寸的“智慧之環”，其構造相當于兩個環像鎖鏈一樣套接在一起，在它們相交的部位嵌入金屬原子(一般是銅原子)，這樣就可以把它作為“發動機”使用。向雙環結構施加電壓或撤除電壓，金屬原子的電子數就會發生變化(因為發生了氧化或還原反應)，雙環與金屬原子結合的位置也會隨之發生變化，于是這個雙環結構就會往復不停地運動起來。

此外，在一部機械中，用于傳遞動力的部件是必不可少的，如果不能把發動機的動力傳遞給輪胎，汽車便無法行進。目前科學家已經發現了許多可以用作分子機器人類似部件的分子，其中有與分子突出部位相嚙合的類似齒輪的“部件”，有以軸為中心進行旋轉運動的“部件”，不一而足。

扭轉分子的“分子鉗”

目前，日本科學家研制成功了更為先進的分子機器人，這就是能夠夾持分子，進而扭轉使分子變形的“分子鉗”。

分子鉗的構遣是這樣的，“發動機”采用前面提到過的偶氮苯，在分子鉗中，偶氮苯所提供的“動力”相當于對鉗子的握把。把偶氮苯的動作傳遞給分子鉗的前端起支點作用的“部件”是二茂鐵。我們知道，在機械中有一種使旋轉運動平滑進行的部件，那就是軸承。與此相近，科學家在分子鉗的前端采用了一種稱為“鋅卟啉”的部件，它具有易與堿性物質分子相結合(即發生中和反應)的性質。一旦分子鉗與堿性物質分子接觸，分子鉗的前端就會與堿性物質分子相結合，于是分子鉗便“夾緊”了分子。此時一旦照射紫外線，導致苯環收縮，這個動作通過充當支點的二茂鐵傳遞給分子鉗前端的鋅卟啉，分子鉗的前端就會開啟；當照射可見光時，導致苯環伸長，于是分子鉗前端閉合。與分子鉗前端結合的堿性物質分子的形態就會因這一伸一縮，一緊一松而被迫扭轉變形。

分子鉗的開發具有重要意義，使用分子機器人對目標分子進行某些實際操作，這在世界上還是第一次，使分子機器人的開發邁出了關鍵性的一大步。

分子機器人的制造

目前人類掌握的技術已經能夠在物質的表面一個一個地移動原子，但是要利用這種技術制造分子機器人能力還有所不及。但是分子機器人在自然界中并不罕見。就拿人體來說，其實就是微小的精密機械的組合體。DNA(脫氧核糖核酸)上記錄了遺傳信息的復制和蛋白質的合成。肌肉的張弛、神經網絡的信息傳輸等，在人類所有生命活動中，如果能夠從分子水平上觀察，就可以看到正在運行的無數微小精密機械。

要人工制造分子機器人其捷徑仍然是模仿生物體中的分子機器人，但是生物體中的分子機器人完全是自動組裝而成的，個中機理科學家還沒有完全弄清楚。由于分子機器人種類各不相同，材料姑且不論，由于溫度、壓力、酸堿度等條件復雜地摻雜其間，制造人工分子機器人過程難免會錯誤百出。

為了制造分子機器人，首先做出設計是必要的。比如分子鉗就是把偶氮苯作為“發動機”，二茂鐵作為“軸承”，鋅卟啉作為“鉗子”。設計結束后轉入組裝，將材料置入溶液中，加溫的同時加入催化劑，要組裝出像設計圖上那樣的分子機器人，一蹴而就顯然不行。日本科學家制造成功分子鉗最終用了1年左右的時間。

分子機器人的應用

分子機器人最初的應用應是以醫療等領域為中心。比如針對病毒的分子機器人，讓分子鉗前端的部件只能與特定的病毒相結合，達到清除病毒的目的；還有向癌腫部位集中投放藥劑的分子機器人，分子鉗前端攜帶藥劑，在病患部位周圍投放。

除了分子鉗，其他種類分子機器人的研制也在進行中。比如人工細胞膜，能伸縮自如的人工肌肉等。不僅在醫療領域，在工程方面分子機器人也有應用，比如把分子機器人作為電子計算機的記憶元件，如果成功的話，就能夠實現電子計算機的高性能化和小型化。再發揮一些想象，使用分子機器人將空氣、水和土壤中的分子和原子重新排列，制造出糧食也有可能……(文章代碼：100212)

責任編輯 龐云