分子機器

機器的基本功能是將一些能量輸入至少一個運動部件，每個運動部件都有不同的功能，這些部件結合在一起產生有用的運動，這被稱為做功。

納米技術先驅埃里克·德雷克斯勒設想分子大小的機器可以在原子尺度上操縱化學過程的反應物，甚至可以從分子中構建新材料。這將是巨大的突破！

在分子尺度上，機器的行為不會像我們日常習慣的那樣，如果沒有精心設計，分子的“螺母”和“螺栓”就無法輕易擰開。分子間存在著范德華力，它們吸引到一起的影響比摩擦對普通螺母和螺栓的影響要大得多。

大多數分子通過化學鍵連接在一起。化學鍵的作用是不允許兩個“分子部件”之間自由運動，而機器通常依賴部件之間的相對運動。

要建造分子機器，工程師必須要弄清楚如何利用所謂的機械鍵。在機械鍵中，分子的形狀將它們互鎖在一起，互鎖的兩個分子之間沒有共價鍵的結構，但只有破壞其中一個分子的共價鍵才能破壞分子間的機械鍵，使它們完全分離。

1983 年，法國化學家讓-皮埃爾·索瓦日在研究由紫外線驅動的化學反應時發現，讓銅離子與環狀分子的內部結合，一個C 形分子可以穿過環并附著在銅離子上。在合適的環境中，另一個C 形分子可以與第一個分子化學鍵形成一個互鎖環，最后把銅離子彈出。這樣我們就得到了一個機械鍵結構中的兩個分子環。這些環可以自由旋轉，就像機器一樣。

當銅離子在化學反應中心被剝離電子時，其中一個環將旋轉180 度；如果銅離子重新捕獲電子，它就會再扭轉回來。如果我們想要制造帶有旋轉部件的分子機器，掌握這種運動真的很重要。

英國化學家弗雷澤·斯托達特制造出稱為輪烷的分子機器。

帶正電荷的環被吸引到軸上帶負電荷的位置，但它并沒有通過化學鍵連接得更緊。環還可以在軸上兩個帶負電荷的點之間跳躍，而龐大的硅基端蓋則阻止它掉落出去。利用這種原理，科學家制造了一種可以將自身抬高幾納米的分子電梯。

2011 年，費林加團隊使用這種技術制造了一輛帶有四個旋轉輪子的納米汽車。

索瓦日、斯托達特和費林加的巧妙設計解決了設計分子機器時所遇到的問題。2016 年，他們獲得了諾貝爾化學獎。