世界上最小的機器

楊先碧

你能想到世界上最小的機器有多小嗎？螺絲那么大，針尖那么大，灰塵那么大，看不見的病毒那么大？都不對。世界上最小的機器是肉眼看不到的分子機器，它們比細胞和病毒還要小。來自法國的皮埃爾·索維奇教授、美國的弗雷澤·斯托達特教授以及荷蘭的伯納德·費林加教授，因為研究這些分子機器獲得重大突破，而獲得了2016年諾貝爾化學獎。

制造分子機器三步走

制造分子機器的最初構想要回溯到1950年。當時，美國著名物理學家理查德·費曼第一次提出，未來可以制造微小機械讓其能夠實施各種各樣的作業。從那以后，制造分子機器就成為人類夢寐以求的向往。

分子機器是指在分子層面的微觀尺度上設計開發出來的機器，向這些“小家伙”提供能量后，它們可以在微小的空間內移動并執行特殊的任務。由于分子機器尺寸往往只有幾納米到幾十納米，大約是頭發絲直徑的千分之一，因此分子機器又常常被稱為納米機器。2016年諾貝爾化學獎得主之一的斯托達特說：“分子機器不是一夜之間就能發生的。這需要很長時間和很多優秀人才的共同努力。”

在長達30多年的時間里，三位獲獎者完成了分子機器設計與合成的“三步走”。

第一步：組裝

邁向分子機器的第一步是索維奇于1983年實現的，他成功將兩個環狀分子扣在一起，形成名為“索烴”的分子機器。這種機器有些像我們的自行車鏈條的一部分，不過更像我們玩過的“九連環”玩具。它們由兩個或多個互相鎖在一起的環狀分子組成，而且這兩個分子能夠相對移動。

第二步：轉起來

斯托達特完成了第二步，他合成了名為“輪烷”的分子機器。這種機器由一個環狀分子和一個啞鈴狀的線性分子組成，就像輪胎套在車軸承一樣。

第三步：動起來

費林加完成了第三步，他設計出了能向一個特定方向旋轉的分子馬達。1999年，他研制了一個分子轉子葉片，葉片能夠朝著同一方向持續旋轉。這個馬達可以讓一個微型玻璃缸旋轉起來。這個微型玻璃缸雖然直徑和高度都只有28微米，但是它比分子馬達本身大1萬倍。

2011年，費林加的研究小組在分子馬達的基礎上制造了一款四驅納米汽車，一個分子底盤將4個分子馬達連接在一起作為輪子，當分子馬達旋轉時，納米汽車就能向前行駛。這種納米汽車有望在微小空間內運輸特殊化學物質。目前，科學家還在研究怎樣把多個分子馬達組合，或把它們和其他分子聯系，組成一個稍微“復雜”的機器。在實驗室里，科學家已經做成了由350個原子組成的螺旋槳。

分子機器有啥用

理解分子機器的工作原理，對絕大多數人來說，都非常有難度。不過，了解一下分子機器的作用，就沒這么難了。下面我們就來看看分子機器的作用吧。

人類最終的夢想是讓分子機器跟我們生活中常見的機器一樣，完成復雜的操作。費林加對其獲獎成就解釋說：“一旦在分子層面控制了運動，就為控制其他各種形式的運動提供了可能。這一研究成果為未來新材料的研發開啟了廣闊前景。”

除了在科研和工業上的用途外，分子機器將改變未來的醫療，極大地為我們健康服務。未來，我們可能注射各種各樣的分子機器進入我們的身體，讓它們成為我們的健康衛士。

現在我們吃藥，藥性往往是通過血液循環經過全身。這些藥既能夠在病變部位停留，也會在沒有病的地方停留，這樣會對沒有病的部位帶來或多或少的影響，所以有“是藥三分毒”的說法。在未來，攜帶藥物的分子機器可以定向抵達我們的病變部位，然后停下來，再慢慢釋放藥物。這些分子機器“定點治療”病變部位，不但療效快，而且不會對身體其他部位帶來傷害，因此不會產生毒副作用。

我們身體內會產生不少廢棄物，這些廢棄物并不能完全隨著汗液或糞便排出體外，一些殘留廢棄物就堆積在我們體內的血管或其他組織、器官內，給我們的健康帶來傷害。一些肩負“清淤”功能的分子機器就奔向這些“垃圾堆積處”，挖走廢棄物，然后隨著糞便排出體外。

這些分子機器甚至可以直接攻擊病變部位，比如癌細胞，把癌細胞一個一個地徹底消滅，讓癌癥患者恢復健康。總之，未來升級版的分子機器將成為我們身體內優秀的“殺毒軟件”，讓我們的身體一直處于最佳的運行狀態。

目前，不少國家紛紛制定相關戰略或者計劃，投入巨資搶占分子機器這種新科技的戰略高地。每一種新科技的出現，似乎都包含著無限可能。在不久的將來，神奇的分子機器將源源不斷地進入人類的日常生活。

19世紀30年代，電動馬達被發明出來時，很少有人明白它能做什么，連當時最優秀的科學家都未曾想過它會在電氣火車、洗衣機、電風扇上等被廣泛運用。1919年，當第一架飛機剛被創造出來時，人們不屑地質疑萊特兄弟：“它能有什么用處？”沒想到一個世紀過去后，龐大的航空業早已是人類交通不可或缺的組成部分。同樣的，分子機器的發明雖然還只是實驗室中的“雕蟲小技”，然而未來，這貌似不起眼的“小玩意兒”，卻有可能引起一場微觀領域的大革命。未來，我們拭目以待！