2016年诺贝尔化学奖获得者：让-皮埃尔·索瓦日（左）、弗雷泽·斯托达特（中）以及伯纳德·费林加（右）。
分子机器示意图。
说到机器，多数人想到的可能是工厂里的庞然大物。其实，目前世界上最小的机器是肉眼看不到的、只有人类头发直径的千分之一大小，称为分子机器。
近日，2016年度诺贝尔化学奖揭晓：授予法国斯特拉斯堡大学的让-皮埃尔·索瓦日、美国西北大学的弗雷泽·斯托达特以及荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费林加三位科学家，以奖励他们在分子机器设计和合成方面的贡献，将化学发展推向了一个新的维度。
诺奖的青睐，让分子机器这个离日常生活有点远的名词开始走入公众视野。接下来，2016年诺贝尔化学奖和它所掀起的分子机器热潮，将如何改变我们的生活？
“我感觉有点像100年前首次飞上天的莱特兄弟。那个时候人们也在问，为什么我们需要一台飞行器？但是，我们现在已经有了波音和空客。”费林加展望了分子机器的未来，“你们可以想象某种纳米级别的能量转化器，一种微小的可以储存能量和运用能量的机器。它开启的是纳米机器的新世界。”
科学家们相信，这些电子显微镜下才能露出真容的微小机器，将给人类带来全新生产力。
大小不到头发丝千分之一
试着想象这样一个情景：一个机器人沿着预定轨道缓慢行进，时不时停下来伸出手臂收集一下零件，并放置在背后一个特别设计的结构里。
如果不告诉你这条流水线其实只有几纳米长，你可能会以为上面描述的是一个高科技工厂中的场景。而在这条纳米流水线中，零件是氨基酸，多个零件则串成了一小段多肽。
这就是一个神奇的分子机器，科学家犹如“分子建筑师”，通过化学手段去模拟活细胞中可像机器一般发挥作用的生物分子。
“分子机器是超分子化学的一个重要研究领域。”11月4日，河北师范大学化学与材料科学学院院长于海涛教授表示，分子机器是将宏观机器的概念延伸至分子水平，在适当的外界刺激下，可以执行类似机器运动的单个分子或分子组装体。
于海涛解释说，驱动分子机器运动的能量可以是化学能，也可以是电能、光能等。
人类能把机器做到多小？
这是杰出的美国物理学家、诺贝尔奖得主理查德·费曼在上世纪50年代对纳米技术发展提出的一个问题。这位科学家相信，人类有可能用“巨大”的双手制造出那种极小的、必须依靠电子显微镜才能观察的微型机器。
如今，费曼的预言成真了：分子机器可以回答这个问题——大小不到一根头发丝的千分之一。
三位本年度诺贝尔化学奖获得者用三十多年的时间完成了分子机器设计与合成的“三步走”:
第一步是将两个环状分子连接在一起，1983年，索瓦日实现了这一步。他创建出一种环状以及一类新月状分子，利用化学反应将另外一个新月状部分连接在一起，从而用两个新月状结构拼接成另一个圆形分子，如此便得到了环形分子链中的第一个环。
1994年，索瓦日成功合成出一种“索烃”，其中一个分子环是可以以受控方式旋转的，当施加外部能量时，它会围绕另一个环转动。这是非生物分子机器的第一个雏形。
接下来是第二步，利用一个分子推动另一个分子运动，斯托达特实现了这一点。1991年，他成功合成出了“轮烷”，即将一个环形分子套在一个线性分子上，如此，环形分子就能以线性分子为轴，进行运动。
1994年之后，斯托达特利用多种不同的轮烷制造出大量相对成熟的分子机器，包括一台“电梯”，其上升高度可达到0.7纳米左右；一种人造肌肉，这种用轮烷构成的“分子肌肉”成功地弯折了一片很薄的黄金薄片；以及一种分子芯片，能储存20000字节数据。
第三步是设计分子马达，费林加成为第一个冲过终点的科学家。1999年他研制出世界上第一个分子马达，并成功通过机械作用让一个分子马达的叶片沿着一个方向持续螺旋转动。在这个基础上，他成功让一个玻璃圆筒开始旋转。要知道，这是一个比分子马达大上1万倍的圆筒。
2011年，费林加团队制作了一个纳米尺度的“小车”，同汽车一样，它也有底盘，有四个车轮，通过分子马达车轮旋转向前行驶。至此，他将分子由稳态变为能够运动的状态，并初步实现控制。
“如今，上述三位科学家开拓的分子机器研究，已经形成了一个新兴的科研领域，涉及化学、物理学、医学和材料学等学科交叉，全世界众多科研人员正在为分子机器的实用化而努力。”于海涛表示。
“最小机器”使用之路尚远
它们能像汽车那样按指定方向移动，能像蚂蚁那样弯折并搬动比自己大若干倍的东西，甚至能像流水线机器人那样把东西挪来挪去……目前，包括三位获奖科学家在内的多个团队已制造出用光、电、化学能等驱动的分子马达。
然而，这些微观世界里的生产力从上世纪90年代开始崭露头角，目前还仅限于实验室展示，至今没有真正走进过现实世界。
科学家也发愁这种“最小的机器”到底能怎么用。“人工设计的分子马达还只具有初级的、简单的结构和功能。”甚至连研制出分子马达的费林加也曾表示，“我们已制造出五六十种不同的马达，我现在更关心的是怎么使用它们，而不是再造出一种新的马达来。”
“目前的分子机器还只能模拟一些比较简单的运动，其实际应用还没有达到期待的水平。”于海涛打比方说，三位科学家解决了分子机器中基本结构单元的问题，这就像是发明了活塞、齿轮等基本零件，但是人们日后把这些零件组装起来，并形成功能完整的机器，实现不同功能，还有很长的路要走。
“现在，这个领域到了一个关键的节点：如何在现有分子机器上进行有机组合,使其可以互相搭配运行，并产生宏观可见的效应，而不只是继续探索制造新的分子马达。”于海涛指出，目前，制造分子机器在分子设计及合成、实现分子机器多位点运动或单方向运动以及实现机器的多种刺激响应问题上都存在难点。
“当前绝大多数分子机器研究集中在溶液中，将分子机器与外界整合是实现其对外部环境做功的重要途径，这可能也是分子机器由基础研究走向实际应用需要解决的问题之一。”于海涛补充道。
事实上，由于分子机器距离应用尚远，此次诺奖的颁发，多少有点出乎学界预料：“没想到，诺贝尔奖给得那么早。”
而根据诺贝尔颁奖委员会解读，目前分子机器属于基础性研究，比如分子马达，它现在所处阶段相当于19世纪30年代的电子马达。当时研究人员的想法还处于实验室阶段，从未想到这些东西终将导致电气火车、洗衣机、风扇及食品加工机的产生，但后来却在这些领域大显身手，并改变了世界。
“分子马达走的道路相对于过去的电子马达将大大缩短。”对于分子机器的未来，于海涛则较为乐观：由于化学、物理、材料等各学科的融合以及信息的快速传递，人类也许将会用更短的时间使这项技术应用起来。
埋下颠覆未来的因子
“虽然分子机器尚处在初期阶段，但是三位科学家的开创性工作已经埋下了颠覆未来的因子。”于海涛认为，就像诺贝尔颁奖委员会在声明中所说的：“化学因此踏入了一个全新世界。”
“分子机器研究，使科学家对分子运动的操控达到了前所未有的新高度。”于海涛解释说，分子机器有可能实现宏观世界机器无法实现的功能，一旦可以通过化学方法实现对分子机器的精确构建，将可能引来材料和信息技术的新一轮大发展。未来，将会有更多科学家将分子机器应用于医疗、能源和工业等领域，可能带来超越世人想象力的改变。
比如，分子机器有望在医疗领域大展身手。“希望有一天，这些分子机器可以在人体内工作，比如利用纳米机器人手术和局部给药。”于海涛描绘道，这些分子机器就像一个一个“外科医生”，它们进入你纵横交错的血管网络，挨个搜索癌细胞，然后会拿出“小刀”，把不好的地方，比如肿瘤部位切除。分子机器还能变身智能载药系统，搜寻到每一个癌细胞，并精确释放药物直接杀死肿瘤细胞。
分子机器的穿梭运动，还可能用来编码，这样科学家就有可能发展出分子计算机。“这类分子计算机的发展将摆脱摩尔定律的限制，为超高密度的信息存储提供新的可能性。”于海涛表示，由于分子尺度可达到0.1纳米，而分子穿梭运动的两个状态可以用来二进制编码，就可以实现超高密度存储。
科学家已在生命活动中发现分子马达的存在，但由于机制太过复杂，难以研究清楚。“如果化学家提供了一个精准而简单的模型，很多生命过程将可进行人工模拟，比如三磷酸腺苷酶即是一类生物分子机器，依靠高能分子三磷酸腺苷为细胞内化学反应提供能量——这也将为生命科学研究带来新的飞跃。”于海涛说。
如今，我们仍然需要不断开发分子机器令人兴奋的新用途和描绘其广阔前景。正如费林加所说，“也许化学的力量不仅仅是理解，还有创造，创造那些从未存在过的分子和物质。”
