能干活的人工分子机器

2016年度诺贝尔化学奖授予了法国Jean-Pierre Sauvage教授、美国西北大学的 J. Fraser Stoddart爵士以及荷兰格罗宁根大学的Bernard L. Feringa教授，以奖励他们在“分子机器的设计和合成”方面的贡献。诺贝尔化学奖授予一个还处于基础研究阶段的研究领域是极其少见的，这也充分说明了分子机器巨大的科学价值，并具有非常光明的应用前景。

现阶段研究人员已经可以很容易地合成各种各样的分子机器，并实现了对外做功、在微小的空间里控制其他分子以及构建分子器件等功能。但是分子机器要真正走入实际应用，产生能够改变人们生活的社会效益还有一段路要走。Feringa 教授讲过“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”。而 Stoddart爵士也同样认为“这一领域的研究已经走过了漫长的道路，现在是时候向外界证明它们是有用的了”。近一段时间以来，分子机器领域国内外研究学者普遍认为，仅仅只是利用外部能量来实现分子机器体系内的状态变化，不能称之为严格意义上的分子机器，因为这样的体系在一个工作循环后又回到原点，不能对外做功或完成特定功能，只能被定义为分子开关。只有那些能够将外界施加的能量转换成机械能或分子内势能的体系才能称为分子机器。因此，能干活的分子机器已经成为当前分子机器领域最重要的研究方向。

近期，我们接受《中国科学：化学》编辑部邀请，为英文刊Science China Chemistry撰写了专题综述文章“Artificial molecular machines that can perform work”。文章在田禾院士指导下完成，由研究生陈迪志绘制插图。

在这篇综述中，我们系统总结了2015年以来国内外研究者构建的能干活的分子机器体系，包括从分子机器单体到分子机器的有序集成。这些体系能够利用外界能量实现从微观层面的控制和转移小分子、合成手性分子及特定氨基酸序列的多肽，到宏观层面的发生形变甚至对外做功等功能。在这些能干活的分子机器例子中，着重介绍了它们的结构特点、工作原理以及所能实现的功能。最后，文章对分子机器进行了展望并对其功能化提出了相关建议。

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作者简介

王巧纯教授  华东理工大学化学与分子工程学院教授。一直从事可操控分子机器及新型有机大环分子的设计与合成，实现了使分子机器能够在不同的运动状态下输出不同的光学信号，简易有效的光学表征有力地促进了分子机器的研究；制备了一系列包括目前为止体积最小的葫芦脲家族大环分子，在Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Commun.、Org. Lett.等国际期刊上发表论文40余篇。2006年全国百篇优秀博士论文获得者，2007年获上海市启明星人才计划资助，2008年获第二届上海市科教党委系统十佳青年科技创新人才称号。

陈迪志  华东理工大学应用化学专业2017级硕-博连读研究生。

田禾院士  华东理工大学教授，国家杰出青年基金获得者。2011年当选为中国科学院院士，同年获全国五一劳动奖章，2013年当选为发展中国家科学院院士。任Dyes and Pigments主编，Science China Chemistry副主编，Chemical Science等国际杂志顾问编委。国家973项目“分子探针识别肿瘤特异性血清标志物的基础研究”项目首席科学家。主要从事精细化工尤其是功能染料的基础与应用研究，广泛涉及有机光电功能、分子机器及超分子聚合物体系。发表SCI论文超过500篇，获得中国发明专利授权超过70项，h指数84，被国内外同行在Nature、Nature Materials及 Chemical Reviews等国际顶级期刊上引用评价超过24,000次。相关研究曾获国家自然科学奖二等奖、国家科技进步奖二等奖等多项科技奖励及2016年度法国-中国化学会讲座奖等。