在細胞內部，分子層次上的可控運動是各種生物體進行生命活動的最基本的驅動力來源。而這些分子馬達如何將無規律的能量輸入，轉化為可控的分子運動又是其中的關鍵之所在。在1959年理察費曼教授的《小尺寸 大世界》的演講中首次系統的預言了納米技術及納米機器之後，無數人造分子機器被設計和製造出來，並被應用於生物體系等多個領域。
細胞膜物質轉運動態圖
在眾多的人造分子機器中，雖然其驅動力大都來源於量子過程，但是其運動行為卻呈現經典動力學特徵，且難以被操縱實現量子隧穿效應。與此同時，掃描隧道電鏡（STM）作為一種利用量子隧道效應探測物質表面結構的儀器，為研究表面原子和分子動力學提供了較為理想的方法，但是目前幾乎沒有脫離STM針尖控制的可控定向運動。
目前，來自瑞士國家聯邦實驗室(Empa)和洛桑聯邦理工學院(EPFL)的研究團隊精確設計並製備了一種僅有16個原子所構成的分子馬達，這也是目前世界上已知的尺寸最小的分子馬達，並利用STM追蹤並表徵了它的運動狀態。
分子馬達的驅動原理
首先在結構上，這種微觀分子「發動機」與宏觀發動機是一致的，都是由轉子和定子兩部分組成。鉑鎵晶體作為定子，固定於界面上，不發生轉動，作為定子；乙炔分子作為轉子位於定子之上，發生定向轉動。
分子馬達的原子結構，最下層紅色為鎵原子，深藍色為鈀原子，中間層淺藍色同樣為鈀原子，最上層為乙炔分子。下面兩層為「定子」，最上層乙炔為「轉子」。
作為一種馬達，其運動方式同樣與宏觀馬達類似，「轉子」需要一個固定的運動方向。但是由於輸入的能量是非定向的，因此馬達本身需要使用「棘輪」來確定自身旋轉方向。通過利用原子運動過程中沿著「棘輪」陡峭邊緣與平滑邊緣之間能壘的差別，使分子馬達實現單向運動。
在具體的實驗過程中，研究人員利用6個鈀原子和6個鎵原子構築了這種基本的三角形定子結構，以最小的體積實現了「棘輪「功能。在這個結構中，他的關鍵在於定子結構實現了旋轉對稱，摒棄了以往的鏡像對稱結構，從而實現乙炔分子的定向轉動。STM圖像，同樣證明了99%乙炔分子實現了連續的定向轉動。這種高度的方向穩定性也使本文中的分子馬達區別於以前報導的其他分子馬達。利用這種方法，為分子馬達在原子尺度的能量獲取開闢了新的思路。
上圖：在鉑鎵晶體表面的掃描隧道顯微鏡圖像（放大約5000萬倍），啞鈴形的乙炔-轉子分子，處於不同的旋轉狀態。下圖：鉑鎵晶體-定子（藍紅色）和乙炔-轉子（灰白色）的按比例縮放的原子結構示意圖。（圖片來源：https://plus.empa.ch/images/2020-06-16_Molecular_motor/RotationStates.jpg）
分子馬達的能量來源
分子馬達的主要能量來源於熱能與電能兩個渠道。在常溫下，熱能所引起的分子馬達運動，可以實現每秒近百萬轉的轉速，但是其旋轉具有隨機性；與之相反，由電能所引起的分子馬達轉動則表現出更強的方向性，但是每個電子能量的輸入僅能驅動分子馬達六分之一圈的運動。隨著輸入能量的提高，運動頻率隨之變大，但是過高的能量也會使轉子的在運動方向上具有更高的隨機性，因為分子機器過高的能量會克服「錯誤」方向上的「棘爪」。
根據經典物理學理論，如果分子馬達所具有的能量低於能壘高度，馬達則會停止運動。但是本文中所設計的分子馬達在隧穿區域（TR）內旋轉時，且溫度低於15 K、偏置電壓小於30 mV的條件下，分子馬達所具有的能量已經低於能壘高度，但是仍然觀察到了以穩定頻率的連續轉動過程。
分子馬達中的量子隧道效應
根據量子隧道效應，當分子馬達所具有的能量低於能壘時分子馬達也可以「隧穿」通過能壘。這種「隧穿」運動通常沒有任何能量的損失，因此在兩個方向上都存在「隧穿」運動的概率。但實驗過程中，我們發現分子馬達仍以99%的超高定向性沿同一個方向旋轉。與此同時，根據熱力學第二定律中的熵增原理，由於STM探針、基體、分子都處於熱平衡狀態，分子馬達的單向旋轉過程是不存在的，因此理論上會有分子馬達呈現出隨機的熱旋轉狀態。綜上所述，如果在隧穿中沒有能量損失，分子馬達的旋轉方向應該是隨機的，但實際上分子馬達幾乎只沿一個方向旋轉，這表明在「隧穿」過程中發生了能量的損失，且這種高度的方向穩定性與探針的位置或實驗環境無關。
通過乙炔分子與鉑鎵晶體之間的相互作用，設計並製備迄今為止最小的人造馬達，並實現了持續的定向旋轉。在此基礎上又研究了分子馬達在量子隧穿領域的現象。這種超微小馬達開啟了對量子隧道過程和能量耗散效應的研究，在將來，有望通過其它形式的強制激勵（例如，光能）將能量轉換為定向運動，從原子尺度上實現對能量的收集。