我們生活的世界里每一個角落都充斥著機(jī)器，這種由各種金屬或是非金屬部件所組裝而成的裝置，能夠代替我們進(jìn)行勞動、信息傳輸?shù)?，便利我們的生活，并且從根本上改變了人類生活的生產(chǎn)方式和發(fā)展進(jìn)程。而大部分的機(jī)器都是我們能夠用肉眼看到的，那么是否也有一種機(jī)器，只有幾納米大小，能夠從分子層面的機(jī)械運動轉(zhuǎn)化為宏觀層面的運動，從而實現(xiàn)宏觀機(jī)器可以實現(xiàn)的各種功能呢？
機(jī)器是一種利用轉(zhuǎn)化、施加或傳輸能量的機(jī)械裝置的組合。宏觀器件與機(jī)器的概念甚至可以延伸和擴(kuò)展到分子水平。而分子器件就是由許多不連續(xù)的分子元件組裝起來的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的組裝體。分子機(jī)器是一種特殊的分子器件，這種概念來源于分子生物學(xué)。生命的正常運轉(zhuǎn)是離不開細(xì)胞內(nèi)的分子機(jī)器與分子馬達(dá)的，例如atp合成酶、驅(qū)動蛋白和dna復(fù)制酶等。
在宏觀世界中的機(jī)器無法自發(fā)運動，需要能量供給，例如熱能、風(fēng)能、電能等，才能進(jìn)行運動。而同樣，分子機(jī)器的運動也需要能量供給。生命在經(jīng)過漫長的進(jìn)化之后具備完善的能量傳輸系統(tǒng)，以維持生命體內(nèi)分子機(jī)器的運作。但對于分子機(jī)器，能量的消耗、化學(xué)反應(yīng)帶來的廢料堆積都會影響分子機(jī)器的運轉(zhuǎn)。 科學(xué)家們通過不斷的探索之后，最終確定光能和電能是分子機(jī)器最常用的能源，使得分子機(jī)器更加具有可控性。
這樣來看，分子機(jī)器遠(yuǎn)比宏觀機(jī)器要綠色環(huán)保，但目前分子機(jī)器離實際應(yīng)用仍有一段距離，能否走向市場化的關(guān)鍵就在于實現(xiàn)分子機(jī)器的器件化與集成化，其中一個極具挑戰(zhàn)性的問題就是如何操控其微觀結(jié)構(gòu)變化，實現(xiàn)分子機(jī)器的宏觀機(jī)械響應(yīng)。一般來說，分子是持續(xù)隨機(jī)運動的，比如碳-碳單鍵中兩個碳原子的相對旋轉(zhuǎn)方向是隨機(jī)的，因此控制分子的定向運動尚有難度。
中科院高能所多學(xué)科研究中心石偉群研究員課題組在前期錒系-有機(jī)輪烷配合物研究的基礎(chǔ)上首次將具有光二聚活性的葫蘆[8]脲主客體體系引入到鈾酰-輪烷結(jié)構(gòu)中，成功構(gòu)筑了一例新型光活性錒系聚輪烷材料，并實現(xiàn)了該材料在紫外光照射下的可控宏觀力學(xué)響應(yīng)。研究團(tuán)隊還對該分子機(jī)器的微觀分子機(jī)制進(jìn)行了解析：由于材料晶格中各結(jié)構(gòu)單元的巧妙組裝，局部光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得以在晶格中有效累積，最終誘導(dǎo)了棒狀晶體材料的光致彎曲。該研究中晶體材料的光致彎曲速率要比其它光致彎曲晶體低兩個數(shù)量級，為晶態(tài)分子機(jī)器光致響應(yīng)的中間態(tài)化合物捕捉及其宏觀彎曲的精確控制提供了可能。
這項研究實現(xiàn)了分子機(jī)器的微觀結(jié)構(gòu)變化向宏觀力學(xué)響應(yīng)的跨越，將分子機(jī)器向?qū)嵱没较蜃隽擞辛Φ耐苿?。并且通過建立微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀可控運動之間的構(gòu)效關(guān)系，也為構(gòu)筑其他具有宏觀相應(yīng)和可控運動行為的新型分子機(jī)器提供了新思路和科學(xué)參考。
2016年諾貝爾化學(xué)獎授予“人工分子機(jī)器的設(shè)計與合成”領(lǐng)域，更加激勵人們在分子與納米尺度上設(shè)計和制造機(jī)器?；仡櫃C(jī)械的發(fā)展歷史，始終向著自動化、智能化方向邁進(jìn)，并且極大地促進(jìn)了人類的生存和生活方式。盡管目前人們在分子尺度上制造機(jī)器仍處于原始萌芽時期，所要面臨的困難也遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于宏觀機(jī)器。但是，分子機(jī)器為研究生物過程提供了原理性器件分子，使人們真正從微觀的分子領(lǐng)域去思考生命過程，也為模擬生物過程并最終將生物過程付之實踐提供了無限可能。
(資料參考來源：中科院高能物理研究所、百科、知網(wǎng)等)
原標(biāo)題：從微觀動態(tài)到宏觀形變 分子機(jī)器向?qū)嵱没较虿粩嗲斑M(jìn)