自去年諾貝爾化學獎公布之後，很多人都有過疑問，分子機器到底能做什麼？不可否認，在目前看來小小的分子機器還沒有廣泛的應用，不過這也正是大部分從事分子機器的科學家想要探索解決和回答的問題。目前在該領域的亟待解決的一個挑戰是設計能夠持續對外界做有用功的系統，將分子層面的機械運動轉化為宏觀層面的運動，從而真正實現宏觀機器可以實現的各種功能。X-MOL之前報導過美國達特茅斯學院柯晨峰博士將分子機器運用到3D列印材料中，實現了微觀運動帶動宏觀運動（點擊閱讀詳細），就是一個很好的例子。
去年諾獎得主之一Feringa教授的分子馬達被認為很有希望將分子層面的微觀運動轉化為宏觀運動，不過，這種單向旋轉的設計也存在局限——逆向旋轉很困難，通常需要在分子結構上進行很多修飾。近日，法國斯特拉斯堡大學的Nicolas Giuseppone教授等人在Nature Nanotechnology 發表了最新成果，他們將分子馬達和分子調節器（modulator）結合起來運用到高分子材料中，通過光照控制這兩個功能器件的打開和關閉，在宏觀上的效果就是材料的收縮和舒展。
圖1. 分子馬達和分子調節器的示意圖與結構式。圖片來源：Nature Nanotech.
上圖所示為分子馬達和分子調節器的結構（圖1c），分子馬達部分基於Feringa教授之前的工作，在其中接上高分子鏈，紫外光照射使其單向旋轉，而可見光使其旋轉停止。如果只有分子馬達，只會導致材料越縮越小（圖1a）。這裡引入的分子調節器在紫外光照射下不能轉動，而在可見光照射下則開始轉動，這樣就能夠釋放分子馬達旋轉帶來的張力，使得材料既能在紫外光照射下收縮，又能在可見光照射下舒展開來（圖1b）。
首先，作者先對這種分子調節器的模型進行了探究（圖2），其中1由八步合成所得，這種打開的形式在乙腈中以兩種狀態存在（平行P和反平行AP），紫外光照射可使其切換到閉環狀態，而可見光照射又使其回到打開的狀態。
圖2. a) 分子調節器1打開和閉合的狀態切換過程；b) 1打開狀態的晶體結構；c) 1在溶液裡的紫外可見吸收光譜，其中530 nm處的吸收是閉合狀態調節器形成的特徵峰並且溶液會從黃色變為紫色。圖片來源：Nature Nanotech.
接著，文中研究了五種含有不同比例分子調節器和分子馬達的材料。分子調節器含量越多，在紫外光照下收縮越慢，在可見光中越易恢復原有的體積。並且，在紫外和可見光的混合照射下，可以實現材料體積的調節。
圖3. a) 五種材料中分子調節器2以及分子馬達3和4的不同比例；b,c) 五種材料在紫外和可見光照射下體積的變化；d)材料Gel50在可見和紫外混合照射下的體積調節。圖片來源：Nature Nanotech.
圖4. Gel25材料的伸縮實驗。a) 原始大小；b) 紫外光照射3 h；c) 隨後白光照射48 h。圖片來源：Nature Nanotech.
柯晨峰博士在評論該成果時將這一系統比作機械錶，[1] 材料收縮類似機械錶上發條儲存能量的過程，而發條的釋放可以將能量轉化為齒輪等其他部分的轉動，相對應地便是材料的舒展。
圖5. 機械錶內部結構簡化示意圖。圖片來源：Nature Nanotech.
這或許是「分子機器能做什麼？」這個問題的一種答案。
原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：
Dual-light control of nanomachines that integrate motor and modulator subunits
Nature Nanotech., 2017, 12, 540-545, DOI: 10.1038/nnano.2017.28
參考資料：
1. https://www.nature.com/nnano/journal/v12/n6/full/nnano.2017.44.html
（本文由PhillyEM供稿）
Journal of Membrane Science;
Bioconjugate Chemistry; Carbon;
ChemPlusChem; Advanced Science;
Food Hydrocolloids; Food Chemistry
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