分子机器

机器的基本功能是将一些能量输入至少一个运动部件，每个运动部件都有不同的功能，这些部件结合在一起产生有用的运动，这被称为做功。

纳米技术先驱埃里克·德雷克斯勒设想分子大小的机器可以在原子尺度上操纵化学过程的反应物，甚至可以从分子中构建新材料。这将是巨大的突破！

在分子尺度上，机器的行为不会像我们日常习惯的那样，如果没有精心设计，分子的“螺母”和“螺栓”就无法轻易拧开。分子间存在着范德华力，它们吸引到一起的影响比摩擦对普通螺母和螺栓的影响要大得多。

大多数分子通过化学键连接在一起。化学键的作用是不允许两个“分子部件”之间自由运动，而机器通常依赖部件之间的相对运动。

要建造分子机器，工程师必须要弄清楚如何利用所谓的机械键。在机械键中，分子的形状将它们互锁在一起，互锁的两个分子之间没有共价键的结构，但只有破坏其中一个分子的共价键才能破坏分子间的机械键，使它们完全分离。

1983 年，法国化学家让-皮埃尔·索瓦日在研究由紫外线驱动的化学反应时发现，让铜离子与环状分子的内部结合，一个C 形分子可以穿过环并附着在铜离子上。在合适的环境中，另一个C 形分子可以与第一个分子化学键形成一个互锁环，最后把铜离子弹出。这样我们就得到了一个机械键结构中的两个分子环。这些环可以自由旋转，就像机器一样。

当铜离子在化学反应中心被剥离电子时，其中一个环将旋转180 度；如果铜离子重新捕获电子，它就会再扭转回来。如果我们想要制造带有旋转部件的分子机器，掌握这种运动真的很重要。

英国化学家弗雷泽·斯托达特制造出称为轮烷的分子机器。

带正电荷的环被吸引到轴上带负电荷的位置，但它并没有通过化学键连接得更紧。环还可以在轴上两个带负电荷的点之间跳跃，而庞大的硅基端盖则阻止它掉落出去。利用这种原理，科学家制造了一种可以将自身抬高几纳米的分子电梯。

2011 年，费林加团队使用这种技术制造了一辆带有四个旋转轮子的纳米汽车。

索瓦日、斯托达特和费林加的巧妙设计解决了设计分子机器时所遇到的问题。2016 年，他们获得了诺贝尔化学奖。