获得诺贝尔奖的分子机器是什么原理

机器基本上是任何将一些能量输入至少一个运动部件的设备，每个运动部件都有不同的功能。这些部分结合在一起产生有用的运动作为输出，这被称为做功。使机器更小有一些明显的优势，比如能够更轻松地运输它们使它们移动得更精确。1959年，物理学家理查德·费曼谈到了“在小范围内操纵和控制事物的问题”，其中的“小范围”就是由一个或几个分子组成的机器。

在分子尺度上，机器的行为不会像我们在日常规模上所习惯的那样，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。另一个问题是，让分子机器的组件按照你想要的方式移动会比较棘手，附近分子的热运动（噪声）也可能使组件随机移动。最后，大多数分子通过化学键连接在一起，有不同种类的化学键，它们往往都相当刚，不允许两个部件之间自由运动，而机器通常依赖部件之间的相对运动。

索烃

直到1983年，法国化学家让-皮埃尔·索瓦日有了一个意想不到的发现。索瓦日最初是在研究由紫外线驱动的化学反应，其中一个过程涉及将自身附着在铜离子的C形分子。在对反应进行建模时，他意识到通过调整方法，他可以从这些分子中产生比以往更多的索烃。

诀窍是让铜离子与环状分子的内部相结合，然后一个C形分子可以穿过环并附着在同一个铜离子上。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合形成一个互锁环，最后再把铜离子弹出。这样我们就得到了一个机械键结构中的两个分子环。这些环可以相对于彼此自由旋转，就像机器一样。索瓦日甚至将这一过程扩展到制造打结的化学品和更复杂的链。

大约在同一时间，英国化学家弗雷泽·斯托达特在不同的化学机制上取得了进展，他制造出了一种称为轮烷的分子机器。早在1991年，斯托达特团队就制造了一个缺少电子的几乎闭合的原子环。它们还制造了一个棒状分子，该分子具有两个富电子位点和庞大的硅基端盖。当把它们放在一起时，静电引力使环连接到棒上，在那里发生化学反应把环给关闭了。

虽然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。此外，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，他们制造了一种可以将自身抬高几纳米的分子电梯。

不断旋转

索瓦日、斯托达特和费林加使用巧妙的设计和特殊的环境，来解决我们在使用基本的分子机器时所遇到的问题。在2016年，他们的努力获得了诺贝尔化学奖。