【2016年诺贝尔化学奖】让分子“动起来”

2016年诺贝尔化学奖授予三位科学家：

Jean-Pierre Sauvage 、 J. Fraser Stoddart 和 Bernard L. Feringa ，获奖理由是：

“因分子机器的设计与合成。”

“分子机器”听上去像是科幻电影中的概念，然而自然界早已拥有大量精妙的分子机器。例如，细胞中的ATP合酶通过旋转运动合成ATP；核糖体依据遗传信息制造蛋白质；驱动蛋白则沿着细胞骨架运输分子“货物”。 科学家们怀揣一个大胆的愿景：既然自然界能制造分子机器，人类能否自行设计并构建出类似系统？

2016年诺贝尔化学奖的三位获奖者，正是在这条探索之路上迈出了关键性的步伐。

一、什么是分子机器？

我们日常所见的机器，通常由众多机械部件组成——汽车发动机中的齿轮、活塞、连杆等相互配合，将能量转化为机械运动。而分子机器的尺度要小得多，通常仅几纳米甚至更小。为何如此微小的分子也能被称为“机器”？关键在于： 分子本身能够发生可控制的运动 。

• 一个分子环可沿分子轴移动；

• 一个分子结构可发生旋转；

• 两个互锁的分子可发生相对运动；

• 外界刺激（光、热、酸碱或氧化还原条件）可调控这些运动。

若我们能够 设计这种运动 → 控制这种运动 → 利用这种运动完成任务 ，那么分子便不再是静态结构，而真正具备了“机器”的特征。这便是分子机器的核心思想。

二、三位获奖者的贡献 Sauvage：让两个分子“扣”在一起

传统化学中，分子通常通过共价键连接，例如A—B。但Sauvage探索了一种特殊的连接方式—— 机械互锁 。即两个分子并未通过传统共价键结合，却像两个链环般彼此套住，无法轻易分离。最典型的例子是 索烃 ，

可想象为两个相互套住的金属环：它们之间没有直接焊接，但一个环套在另一个环内，因而无法分开。这种“机械键”与常规化学键截然不同，却构成了分子机器的重要基石——因为一旦分子被机械互锁，它们便可在不分离的前提下发生相对运动。

Stoddart：让分子环“跑起来”

若Sauvage解决了“如何让两个分子互相套住”的问题，那么Stoddart则进一步思考：能否让其中一个分子沿另一个分子运动？他的代表性成果之一是 轮烷 ，

可理解为一根分子轴穿过一个分子环，并在轴两端安装“堵头”防止环脱落。于是，一个类似“轴+滑块”的机械系统得以形成——分子环被限制在轴上，却可沿轴移动。

但让分子运动仅是第一步，真正的机器还需 可控性 。Stoddart发现，通过改变分子不同位置间的相互作用，可使分子环偏向特定位置。这意味着我们不仅能让分子“动起来”，还能 按指令控制其运动 ，这已非常接近“分子机器”的雏形。

Feringa：让分子真正“转起来”

若Sauvage让分子能“套在一起”，Stoddart让分子能“移动”，那么Feringa则提出了更激进的问题：能否制造一个真正的分子马达？

1999年，Feringa团队报道了世界上首个能实现 单向旋转 的分子马达。

这是一项里程碑式突破，因为在微观世界中，分子始终处于热运动状态，其运动通常随机而无序。要制造真正的分子马达，必须解决如何将随机运动转化为定向运动。Feringa通过精巧的分子设计，将构象变化与光刺激耦合——受光照后，分子发生结构变化并推动旋转，多次刺激后便可实现持续定向旋转。人类由此首次制造出可被外界驱动的“分子级电动机”。 Feringa课题组甚至基于此设计合成了所谓分子汽车。

三、分子机器到底有什么用？

应用一：分子开关与分子电子学

最简单的分子机器之一是 分子开关 ，可在不同状态间切换，用于研究分子电子学、信息存储、化学传感器、光响应材料和智能材料。尽管距离替代传统电子器件尚远，但“用单个分子实现开关功能”已成为纳米科技的重要方向。

应用二：智能药物递送

分子机器在 智能药物递送 领域潜力巨大。传统药物随血液循环分布全身，若设计出能感知特定环境（如pH、温度或特定分子）的分子机器，便可在靶标部位发生构象变化，暴露或释放药物，实现靶向治疗和按需释放，从而提高疗效并降低副作用。

应用三：智能材料

若单个分子可发生运动，大量此类分子组成的材料便可能具备 刺激响应性 ，如随光、热或化学信号改变宏观性质，为新型智能材料开辟广阔前景。

最后

2016年诺贝尔化学奖表面上表彰的是“分子机器的设计与合成”，但其深层意义远不止于此。自然界耗费数十亿年造就了无数精妙的分子机器，而这一奖项告诉我们： 人类已开始学习如何设计并制造属于自己的分子机器 。这是一场从模仿自然到超越自然的旅程，虽仍处于早期阶段，却已为未来科技打开了一扇令人振奋的大门。

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