或将改变未来医学的互锁的环

如今在路上，由电动机驱动的电动汽车已经越来越普遍。大约在200年前，物理学家将这些安静又环保的马达带入了我们的生活。

就在几十年前，物理学家理查德·费曼提出了“纳米科技”的概念。费曼相信，在纳米尺度设计出类似的机器也是有可能的，因为自然界中已经存在这样的例子，比如各种生物分子机器。

到了20世纪下半叶，许多科学家已经开始在这一领域做出了各种尝试和突破，设计并合成了一系列分子机器，将分子纳米技术提升到了另一个层次。

最终因设计和合成分子机器而获得2016年诺贝尔化学奖的科学家让-皮埃尔·绍瓦热、J. 弗雷泽·斯托达特与伯纳德·L. 费林加正是其中杰出的代表。

2016年诺贝尔化学奖。（图／Nobel Prize）

如今，由诺贝尔奖得主斯托达特带领的一组跨学科研究团队，在分子机器领域更进一步。他们制造出了一个分子尺度的电动机，能在分子水平上将电能转化为单向运动。这对材料科学，特别是医学将产生深远的影响。研究已发表在《自然》上。

  索烃分子电动机  

长期以来，执行电动机功能（也就是将外部能量转换为定向运动）的分子的合成与运行，对化学、物理和分子纳米技术领域的科学家来说都是极大的挑战，因为在分子尺度上控制组件的相对运动相当困难。

索烃。（图／M stone, CC BY-SA）

研究团队专注于一种特定类型的分子的研究，这种呈互锁的环的分子被称为索烃，它们是由强大的机械键固定在一起的，因此分子的组件可以在不会散开的前提下，相对于彼此自由移动。机械键是一种这种新型的化学键。

几十年前，斯托达特在构建机械键的领域发挥了关键作用，为后续分子机器的发展奠定了基础。

为了实现这一新的突破，斯托达特的团队花了四年多的时间，设计并合成他们的分子电动机。其中还包括与其他团队合作完成量子力学计算，与合成、测量、计算化学和理论方面的专家共同工作，解释电动机背后的工作机制。

具体来说，分子电动机是基于一个具有氧化还原活性的索烃，也就是说，它们可以对电压电位的变化进行响应，进而进行单向运动。研究人员发现，要真正实现这种单向运动，需要两个这样的环。因为实验已经表明，单环互锁的索烃是无法作为电动机运行的。

这种简洁的化学使用电子有效地驱动分子电动机，它与宏观世界中的电动机很像，但宽度却只有2纳米，可以在溶液中工作。

分子电动机。（图／Northwestern University）

更重要的是，虽然先前科学界已经报道了一些单分子电动机的案例，但它们往往需要苛刻的操作条件，比如使用超真空，而且还会产生废物。而新型的分子电动机是第一种可以大量生产的分子电动机。它们易于制造，操作迅速，而且不产生任何废料。

  下一步研究  

斯托达特表示，虽然这一化学领域处于起步阶段，但他认为，未来有一天，这些微型的分子电动机可以与人体的生物分子马达强强联手，有望在医学上发挥巨大的作用。

研究人员介绍，他们的下一步是将许多分子电动机附着在电极表面，对表面状态产生影响，并进一步探索这类电动机的一些有用工作。

#创作团队：

撰文：Gaviota

排版：雯雯

#参考来源：

https://news.northwestern.edu/stories/2023/01/now-on-the-molecular-scale-electric-motors/

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05421-6

#图片来源：

封面图&首图：Northwestern University

本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）

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