新一代红外分子马达

欧洲化学家已经在分子机器领域实现了一个突破，他们开发了一种由近红外光高效驱动的纳米级马达。

这种微型、可控的机器只是一个新兴领域的最新发展，这个领域跨越了化学和材料科学，应用于新材料、传感器和储能系统。

作者在《科学进展》杂志上的一篇论文中写道：“光控人工智能分子机器在分子科学革命方面具有巨大潜力。自动化的运动使得智能材料和系统得以被设计出来，这些材料和系统的特性可以在命令下响应、适应和被修改。”

在过去的几十年里，我们看到了微型计算机技术的革命性影响，同时在机器的微型化方面也发生了一场并行的革命。

物理学家理查德·费曼早在年就预见到了这些进步，当时他提出了一个富有远见的问题：我们能制造出多小的机器？

当然，自然界中已经存在微小的机械：细菌鞭毛以每分钟次的速度推动自己前进。但是为了正常工作，鞭毛的所有组成部分必须完美地结合在一起。那么，费曼问道，人类能否找到一种方法，用纳米级的运动部件制造人造机器？

随着科学技术的进步，现在科学家用实际行动给予了回答，是的，我们可以。

化学家们首先解决了一个问题，用机械键而不是普通的共价键把分子连接在一起，从而创造出具有许多运动部件的高级分子。科学家们正在努力生产足够的分子来证明日益复杂的方法是正确的。

第一台分子机器是由一种不同的方法产生的——光化学，它研究光能如何被用来驱动化学反应。基于这些原理和多年来在连接分子方面的开创性基础研究，荷兰化学家本·费林加于年首次成功演示了分子机器。

通常情况下，分子的运动是由偶然性决定的，但费林加利用紫外线脉冲迫使分子“转子叶片”不断地朝特定方向旋转。这是一个关键的步骤：分子系统更倾向于处于平衡状态，占据较低的能量状态，但通过输入能量费林加迫使系统工作。

从那时起，进一步的研究已经制造出一系列微小的机械装置——例如，一辆四轮驱动的纳米车，分子马达是“轮子”；分子马达可以使其一万倍大小的物体进行旋转；一个可以抓握和连接氨基酸的纳米机器人；以及一个由分子马达和聚合物组成的能够储存光能的“网络”。

费林加和他的同事因设计和生产第一台分子机器而获得年诺贝尔化学奖，而且这个领域仍在增长。

分子机器现在与工业革命早期的机器大致处于同一阶段。19世纪的世界还不知道第一批蒸汽机和电动机将如何彻底改变我们的社会，而今天我们只能猜测分子机器可能以多种方式成为我们生活中不可或缺的一部分。

由于这些机器可以在非常小的范围内完成任务，因此它们可以在能源、医药和材料等不同领域发挥作用。

例如，它们可以作为分子开关来激活体内的药物，在对抗抗生素耐药性方面尤其有用；或者，通过模仿我们细胞中的生物机制，它们可能在迅速发展的合成生物学领域发挥不可或缺的作用。它们也可以应用于分子电子学，分子电子学的目的是利用分子形成工作元件，如导线、二极管和晶体管。

当协同使用时，分子机器还可以形成宏观材料，能够动态改变其性质，包括凝胶、液体、晶体和聚合物。

但这些应用仍处于初级阶段。首先，研究人员必须克服几个长期存在的挑战，创造出能够适应特定环境、精确同步、集体行动的分子机器。

能量输入是这项新研究的重点，由荷兰格罗宁根大学的费林加实验室领导。早期的分子机器，如费林加的分子转子叶片，是由高能紫外线驱动的。但要在生物应用中使用这些机器，它们需要由对周围材料无害的低强度光驱动。

这项研究表明，通过在分子马达上附加一个额外的组件：一个微型“天线”，分子马达可以由近红外光驱动。天线吸收两个低能光子而不是一个高能光子，然后将能量传递给马达。

格罗宁根大学的合著者马克西姆·普舍尼科夫解释说：“这是一种激发状态的直接转移，非常类似于吉他上的两根弦被敲击时产生共鸣的方式。如果你知道它是如何工作的，它就会变得非常简单。但化学设计肯定不是小事。”

格罗宁根大学的博士后研究员卢卡斯·普菲弗补充说：“为了使系统工作，天线和电机的能量水平必须密切配合。它还需要一个连接器，使天线能够在不干扰电机旋转的情况下连接。”

这一进展对于那些在这一领域工作了几十年的人来说尤其令人兴奋，包括费林加。

对于分子机器设计师来说，这个领域仍然充满了挑战，但未来几十年的研究可能会产生新技术的爆炸式增长。

现在，科学家至少对费曼最初的问题给出了答案，科学家已经可以制造出比一缕头发细一千倍的分子机器，未来科学家能制造出多小的机器，也许会超出现在我们的想象。