2016年度諾貝爾化學學獎剛剛揭曉！化學獎授予法國斯特拉斯堡大學的讓-皮埃爾·索瓦（Jean-Pierre Sauvage）、美國西北大學的詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特（Sir J.Fraser Stoddart）以及荷蘭格羅寧根大學的伯納德·費靈格（Bernard L.Feringa），以獎勵他們「在分子機器的設計和合成」方面的貢獻，他們將共同分享800萬瑞典克朗（約合616萬人民幣）的獎金。
簡單來說，這是一個有關在分子層面的微觀尺度上設計機器的故事。這幾位獲獎人開發出了比人類頭髮絲直徑還要小1000倍的分子機器。他們的獲獎在於成功合成了各類分子機器，從微型馬達到微型汽車再到微型肌肉。正如一位諾獎委員會成員所言：「他們掌握了在分子層面上控制運動的技術。」
分子機器
你能夠將機器做到多小？這是傑出的美國物理學家、諾貝爾獎得主理察·費曼（Richard Feynman）在他1984年那場著名演講的開頭提出的一個問題。這個問題是基於他在上世紀1950年代對納米技術發展的預測而提出來的。當時衣著隨意的費曼轉向現場的聽眾，然後問道：「現在讓我們設想設計一種帶有活動部件的機器，非常小的那種。」
費曼堅信有可能設計出一種機器，其尺寸可以抵達納米尺度。因為這樣的案例在自然界中已經存在了。他以細菌的鞭毛作為一個案例——有大分子組成的螺旋形外形，讓它旋轉起來時就能夠驅動細菌前進。但是，人類有否可能用他們「巨大」的雙手也製造出那種極小的，必須依靠電子顯微鏡才能觀察的微型機器呢？
對未來的展望——分子機器將在未來25~30年內出現
對此一種可能的設想是我們先製造一雙比我們自身的手更小的機械手，然後用這雙機械手再製造更小的機械手，然後再進一步製造更小的機械手，以此類推，直到這雙手足夠小，從而能夠設計同樣微小的機器。根據費曼的說法，這一設想曾經嘗試過，但是沒有成功。相比之下，費曼對另一種策略更有信心，那就是從下往上逐漸組裝這種微型機器。在他的理論設想中，不同的物質，比如矽，被逐層噴灑在一個表面上，一層原子疊著另一層原子。隨後將其中的某些層溶解或去除掉，如此便能夠創建出某種能夠用電流驅動的活動部件。
在費曼對未來的設想中，這種方式可以用來設計微型相機的光閥。費曼這場演講的目的是想啟發在場的聽眾，敦促他們去嘗試他們能夠做到的極限。當費曼最後合上他的講義結束演講的時候，他不無淘氣地說：「…請各位好好享受重新設計一切生活中那些熟悉機器的美好時光吧，看看你能否做到。再過25~30年，這一技術將會展現它的實用價值。但它具體是什麼樣的實用價值？我不知道。」
費曼不知道，當時在場的所有聽眾也不知道的是，通往分子機器道路的第一步已經邁出了，只是它並沒有按照費曼所設想的那種路徑發展。
機械鎖定的分子
在20世紀中葉，作為開發更複雜分子結構努力的一部分，化學家們開始合成一些分子鏈，其中一些環裝分子被連接到了一起。成功做到這一點的人不僅將創造出一種美妙的全新分子，還將創造出一種全新的化學鍵。正常情況下，分子是由共價鍵牢牢連接到一起中，在共價鍵中，相鄰原子之間會共享一部分電子。現在化學家們的設想則是創造一種機械鍵——分子之間相互處於機械鎖定狀態，而原子之間並不發生直接相互作用（圖一）。在1950~1960年代，幾個研究組均報告他們在實驗室中合成了分子鏈，但是他們得到的量非常少，並且採用的方法極為複雜，應用價值非常有限。因此這樣的進展更多被視作是某種對於好奇心的滿足而非嚴肅的化學進展。
在經歷數年的停滯徘徊之後，很多人開始放棄希望，從1980年代開始，整個研究領域開始陷入低迷困境。然而這樣的場景並未持續很久——1983年，一項重大的突破性進展出現了。藉助普通的銅離子，一個由讓-皮埃爾·索瓦領銜的法國研究組掌握了對分子的控制技術！
讓-皮埃爾·索瓦與他的銅離子膠合劑
正如在研究工作中時常會出現的那樣，啟發往往來自一個完全不相關的領域。讓-皮埃爾·索瓦的工作專長是光化學領域，該領域的化學家們關心的是合成某種分子化合物，期望其能夠捕獲太陽光中的能量並利用這些能量驅動化學反應過程。當讓-皮埃爾·索瓦建立起一種這類化學物的模型之後，他突然之間意識到這類分子與分子鏈之間存在的相似性：兩個分子圍繞一個中間的銅離子交纏在一起。
這一發現讓讓-皮埃爾·索瓦的研究方向發生了重大轉折。利用他的光化學化合物模型，他的研究組創建出一種環狀以及一類新月狀分子，並使其被銅離子吸引（圖一）。在這一結構中，銅離子實際上提供了某種類似粘合劑的作用，將兩個不相關聯的分子聯繫到一起。緊接著，研究組利用化學方法將另外一個新月狀分子粘合上去，從而用兩個新月狀結構拼接成另一個圓形分子，如此便得到了環形分子鏈中的第一個環。然後研究組撤走銅離子，因為後者已經達成了它的使命。
在化學上，非常講究反應效率，也就是說你投入的分子量與你最後合成得到的目標分子數量之間的比值。在此前的研究中，這樣的比值一直很不理想，一般只能達到幾個百分點。但藉助銅離子的幫助，讓-皮埃爾?索瓦的研究組將這一效率提升到了令人印象深刻的42%！突然之間，分子鏈研究已然不再只是滿足好奇心的領域了。
藉助這一革命性的方法，讓-皮埃爾·索瓦重新為拓撲化學的研究領域帶來了活力。該領域化學家們的主要工作就是將分子不斷相互纏繞鎖定（通常需要藉助金屬離子的幫助），構成越來越複雜的結構——從長分子鏈條到複雜的環節結構，不一而足。讓-皮埃爾·索瓦和詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特爵士是這一領域的領軍人物，他們的研究組合成了許多經典符號，如三葉形紐結、所羅門結或博羅梅安環（圖二）。但是，2016年的諾貝爾化學獎的獲獎成果並非這種美麗結構的合成，而是分子機械。
邁向分子馬達的第一步
讓-皮埃爾·索瓦不久之後便意識到分子鏈（稱為索烴：catenanes，源自拉丁文的『鎖鏈』一詞：catena）並非僅僅是一種新型分子，並且自己實際上已經邁出了通往構建分子機器的第一步。為了讓機器能夠實現其功能，它必須包含數個能夠相互協調工作的部件。而兩個相互勾住的分子環是可以滿足這樣的條件的。在1994年，讓-皮埃爾·索瓦的研究組成功合成出一種索烴，其中的一個分子環是可以受控方式旋轉的，當施加外部能量時，它會圍繞另一個環轉動。這是非生物分子機器的第一個雛形。分子機器的第二個雛形則是由一個在蘇格蘭的一片沒有電力供應也沒有任何現代設施的偏遠農場上長大的化學家完成的。
司徒塔特與輪烴
當詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特還是個孩子時，他家裡沒有電視，更沒有電腦。於是他把大量時間花費在了做木工上，這樣的經歷鍛鍊了他日後作為一名化學家的一種能力：識別形狀並判斷它們之間如何才能組合到一起。他對化學感到著迷，他夢想成為一名分子藝術家——塑造新的形狀，那些這個世界從未見識過的分子形狀。當司徒塔特做出讓他獲得2016年諾貝爾獎的成果的同時，他同時也在利用化學性質創造能夠相互吸引的分子方面取得進展。在1991年，他的研究組製造了一個開放的分子環，並且這個分子環是缺失電子的；另外他們還製造出一個長長的分子柱狀物（或者說是一個「軸」），並且是電子富餘的。當這兩個分子在溶液中相遇時，缺失電子和富餘電子的兩個分子結構立即相互結合了。
下一步，研究組封閉了開放的分子環結構，這樣就得到了一類被稱作「輪烴」的特殊分子：環狀分子結構與軸狀分子結構的機械結合體。隨後，司徒塔特利用分子環的自由性使其沿著軸移動。當他對該結構加熱時，這個分子環開始在富餘電子的軸兩端之間前後跳動，就像縫紉機的梭子（圖三）。在1994年，司徒塔特已經能夠做到對其運動狀態的完全控制，從而打破了化學體系中原先佔據主導的隨機性。
分子電梯、微型肌肉和微型晶片
從1994年之後，司徒塔特的研究組利用多種不同的輪烴製造出大量不同的分子機器，包括一臺電梯（2004年，圖四），其上升高度可達到0.7納米左右；一種人造肌肉（2005年），這種用輪烴構成的「分子肌肉」成功地彎折了一片很薄的黃金薄片。通過與其他研究者合作，司徒塔特還開發出一種基於輪烴，內存為20kB的計算機晶片。如今用於計算機晶片上的電晶體體積非常小，但如何和這種分子層面的「電晶體」對比的話那簡直就是龐然大物。研究人員相信這種分子晶片技術或許在未來將有望顛覆現有的傳統計算機晶片技術，基於矽晶片的電晶體技術將會消亡。
讓-皮埃爾·索瓦同樣對輪烴的潛力進行了研究。在2000年，他的研究組成功地將兩個環狀分子連接在一起，形成一種有彈性的結構，讓人聯想到人類的肌肉纖維（圖五）。他們還研製出能夠與馬達相聯繫的結構，在這種特殊結構中，輪烴的一個環能夠沿不同方向轉動。在分子工程領域，創造出能夠持續不斷沿著同一方向轉動的分子馬達一直是一個重要的目標。在1990年代人們曾經做過很多嘗試，但第一個闖過這道關卡是人則是荷蘭的伯納德·費靈格。
費靈格製造了第一個分子馬達
與司徒塔特一樣，費靈格從小在農場長大，後來被擁有無限創造機會的化學所吸引。正如他在一次採訪中所表述的那樣：「也許化學的力量不僅僅是理解，還有創造，創造那些從未存在過的分子和物質……」
1999年當費靈格製造出第一個分子馬達時，他利用了一些巧妙的技巧讓它在同一個方向旋轉。通常情況下，分子的運動受偶然性支配。平均而言，一個旋轉的分子向右和向左移動的次數是相等的。但是，費靈格設計的分子馬達在機械構造上能向一個特定的方向旋轉。
當費靈格創造出第一個分子馬達時，它在機械構造上能在一個特定的方向旋轉。他的研究小組已經對馬達進行了優化，現在的旋轉速度可達到1200萬轉/秒。
該分子的組成物質可以被比作兩個小的動葉片，兩個脂肪化學結構與兩個碳原子之間的雙鍵相連接。一個甲基組被附加到每個動葉片上，這些動葉片像棘輪一樣，迫使分子以同一方向旋轉。當分子被暴露在紫外線光的脈衝下，一個動葉片圍繞中間的雙鍵跳了180度。然後，棘輪移動到指定位置。隨著下一個光脈衝的帶來，動葉片又跳了180度。持續下去，分子馬達就會朝同一個方向旋轉。
第一部馬達的運行速度並不快，但費靈格團隊對其進行了優化。2014年，其轉速度達到了每秒1200萬轉。2011年，研究小組製造了一款四驅納米汽車，一個分子底盤安裝了四個馬達（作為輪子）。當輪子旋轉時，汽車機會前行。
一個分子馬達旋轉一個小玻璃缸
在另一個引人注目的實驗中，伯納德·費靈格的研究小組利用分子馬達旋轉一個28微米長的玻璃缸（比分子馬達大10000倍）。在實驗中，他們把馬達整合到液晶（一種擁有晶體結構的流體）中。但只有百分之一的液晶由分子馬達組成，當研究人員開始旋轉時，馬達就改變了液晶的結構。當研究人員把玻璃缸放在液晶上面時，電機運動就帶動了它的旋轉。
建立一個分子工具箱
索瓦、司徒塔特和費靈格在研發分子機器過程中所採用的一些突破性步驟最終形成了一個化學結構工具箱，目前已被全世界研究人員在進行先進的化學結構創作時所採用。其中一個最突出的例子是一個可以抓取和連接胺基酸的分子機器人，於2013年基於輪烷而建造。
其他研究人員還將分子馬達與長聚合物相連接，形成一個複雜的網絡。當分子馬達被暴露在光線中時，就會把聚合物吹成一個雜亂的管束。通過這種方式，光能量被儲存在分子中。如果研究人員找到一種能獲取這種能量的技術，則一種新型電池就將被開發出來。當電機將聚合物攪拌在一起時，材料就會收縮，這可以用於開發光反應傳感器。
遠離平衡——走向一個嶄新且充滿活力的化學
這項技術發展的一個重要組成部分是，研究人員推動了分子系統遠離所謂的平衡。所有的化學系統都力求達到平衡，這是一種低級的能量狀態，但也是一個僵局。以日常生活為例，當我們吃飯時，身體的分子從食物中提取能量，並推動我們的分子系統遠離平衡，到更高的能量水平。然後，生物分子使用能量來驅動身體工作所需的化學反應。如果身體處於化學平衡狀態，人類就會死亡。
就像生命分子一樣 ，索瓦、司徒塔特和費靈格的人工分子系統執行一項受控任務。時間已經證明了小型化計算機技術革命所帶來的影響，而我們也只是看到了機器小型化可能帶來影響的初始階段。從發展階段來看，分子馬達目前所處階段相當於19世紀30年代的電子馬達。當時，研究人員的想法還處於實驗室階段，並未想到後來會引發出電氣火車、洗衣機、電風扇和食物處理器等。
因此，在費曼發表其極富遠見的演講32年之後，我們現在仍是只能繼續猜測這項技術令人興奮的未來發展前景。但是，我們現在已經能夠回答最初的一個問題了——我們能夠製造的最小的機器究竟有多小？至少比一縷頭髮小1000倍。