近紅外光天線為納米馬達提供動力，分子機器又前進了一步

新一代紅外分子馬達

歐洲化學家已經在分子機器領域實現了一個突破，他們開發了一種由近紅外光高效驅動的納米級馬達。

這種微型、可控的機器只是一個新興領域的最新發展，這個領域跨越了化學和材料科學，應用於新材料、傳感器和儲能系統。

作者在《科學進展》雜誌上的一篇論文中寫道：「光控人工智慧分子機器在分子科學革命方面具有巨大潛力。自動化的運動使得智能材料和系統得以被設計出來，這些材料和系統的特性可以在命令下響應、適應和被修改。」

在過去的幾十年裡，我們看到了微型計算機技術的革命性影響，同時在機器的微型化方面也發生了一場並行的革命。

物理學家理察·費曼早在1959年就預見到了這些進步，當時他提出了一個富有遠見的問題：我們能製造出多小的機器？

當然，自然界中已經存在微小的機械：細菌鞭毛以每分鐘60000次的速度推動自己前進。但是為了正常工作，鞭毛的所有組成部分必須完美地結合在一起。那麼，費曼問道，人類能否找到一種方法，用納米級的運動部件製造人造機器？

隨著科學技術的進步，現在科學家用實際行動給與了回答，是的，我們可以。

化學家們首先解決了一個問題，用機械鍵而不是普通的共價鍵把分子連接在一起，從而創造出具有許多運動部件的高級分子。科學家們正在努力生產足夠的分子來證明日益複雜的方法是正確的。

第一臺分子機器是由一種不同的方法產生的——光化學，它研究光能如何被用來驅動化學反應。基於這些原理和多年來在連接分子方面的開創性基礎研究，荷蘭化學家本·費林加於1999年首次成功演示了分子機器。

通常情況下，分子的運動是由偶然性決定的，但費林加利用紫外線脈衝迫使分子「轉子葉片」不斷地朝特定方向旋轉。這是一個關鍵的步驟：分子系統更傾向於處於平衡狀態，佔據較低的能量狀態，但通過輸入能量費林加迫使系統工作。

從那時起，進一步的研究已經製造出一系列微小的機械裝置——例如，一輛四輪驅動的納米車，分子馬達是「輪子」；分子馬達可以使其一萬倍大小的物體進行旋轉；一個可以抓握和連接胺基酸的納米機器人；以及一個由分子馬達和聚合物組成的能夠儲存光能的「網絡」。

費林加和他的同事因設計和生產第一臺分子機器而獲得2016年諾貝爾化學獎，而且這個領域仍在增長。

分子機器現在與工業革命早期的機器大致處於同一階段。19世紀的世界還不知道第一批蒸汽機和電動機將如何徹底改變我們的社會，而今天我們只能猜測分子機器可能以多種方式成為我們生活中不可或缺的一部分。

由於這些機器可以在非常小的範圍內完成任務，因此它們可以在能源、醫藥和材料等不同領域發揮作用。

例如，它們可以作為分子開關來激活體內的藥物，在對抗抗生素耐藥性方面尤其有用；或者，通過模仿我們細胞中的生物機制，它們可能在迅速發展的合成生物學領域發揮不可或缺的作用。它們也可以應用於分子電子學，分子電子學的目的是利用分子形成工作元件，如導線、二極體和電晶體。

當協同使用時，分子機器還可以形成宏觀材料，能夠動態改變其性質，包括凝膠、液體、晶體和聚合物。

但這些應用仍處於初級階段。首先，研究人員必須克服幾個長期存在的挑戰，創造出能夠適應特定環境、精確同步、集體行動的分子機器。

能量輸入是這項新研究的重點，由荷蘭格羅寧根大學的費林加實驗室領導。早期的分子機器，如費林加的分子轉子葉片，是由高能紫外線驅動的。但要在生物應用中使用這些機器，它們需要由對周圍材料無害的低強度光碟機動。

這項研究表明，通過在分子馬達上附加一個額外的組件：一個微型「天線」，分子馬達可以由近紅外光碟機動。天線吸收兩個低能光子而不是一個高能光子，然後將能量傳遞給馬達。

格羅寧根大學的合著者馬克西姆·普舍尼科夫解釋說：「這是一種激發狀態的直接轉移，非常類似于吉他上的兩根弦被敲擊時產生共鳴的方式。如果你知道它是如何工作的，它就會變得非常簡單。但化學設計肯定不是小事。」

格羅寧根大學的博士後研究員盧卡斯·普菲弗補充說：「為了使系統工作，天線和電機的能量水平必須密切配合。它還需要一個連接器，使天線能夠在不幹擾電機旋轉的情況下連接。」

這一進展對於那些在這一領域工作了幾十年的人來說尤其令人興奮，包括費林加。

對於分子機器設計師來說，這個領域仍然充滿了挑戰，但未來幾十年的研究可能會產生新技術的爆炸式增長。

現在，科學家至少對費曼最初的問題給出了答案，科學家已經可以製造出比一縷頭髮細一千倍的分子機器，未來科學家能製造出多小的機器，也許會超出現在我們的想像。