淺析迷你型機器人 分子界的“建筑師”

這或許是來自一家高科技工廠的一幕，只是這條流水線只有幾納米長。 機器人沿著軌道緩慢移動著，并且有規(guī)律地停頓，以便伸出小心翼翼地將組件撿起來的手臂。手臂將組件連接到機器人后背上的精細構(gòu)造，然后機器人向前移動并且重復(fù)這一過程——根據(jù)的設(shè)計，有條不紊地將零部件串在一起。

這或許是來自一家高科技工廠的一幕，只是這條流水線只有幾納米長。組件是氨基酸，產(chǎn)品是小肽，由英國曼徹斯特大學(xué)化學(xué)家DavidLeigh創(chuàng)建的機器人則是曾經(jīng)設(shè)計出的98%復(fù)雜的分子級機器。 這并非個例。Leigh是日益增多的分子“建筑師”隊伍中的一員。他們受到啟發(fā)，模擬在活體細胞中發(fā)現(xiàn)的像機器一樣的生物分子。過去25年里，這些研究人員設(shè)計出一系列令人印象深刻的開關(guān)、棘輪、發(fā)動機、推進器，甚至更多——就像它們是納米尺度的樂高部件一樣，能被集成在一起成為分子機械。與此同時，多虧了分析化學(xué)工具和使建造大型有機分子更加簡單的反應(yīng)的改進，進展正在加速。

一臺分子“納米汽車”沿著金屬表面穿行 創(chuàng)建分子梭 很多今天的分子機器都可追溯至一個由目前在美國西北大學(xué)就職的化學(xué)家FraserStoddart于1991年建造的相對簡單的設(shè)備。那是一個被稱為輪烷的組合體，其中環(huán)狀分子被一個“軸”穿過，而“軸”是兩端均由體積較大的“塞子”堵住的線性分子。這個特殊的“軸”所包含的是在鏈的每一端能綁定到環(huán)狀分子上的兩個化學(xué)基團。Stoddart發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀分子能在這兩個點之間來回移動，從而創(chuàng)建了*分子梭。

1994年，Stoddart改進了設(shè)計，使得“軸”擁有兩個不同的結(jié)合位點。分子梭存在于溶液中，改變液體的酸度則能迫使環(huán)狀分子從一個地點移動到另一個地點，從而使分子梭成為一個換向開關(guān)。類似的分子開關(guān)也許有朝一日能被用于對熱、光或特定化學(xué)物質(zhì)作出響應(yīng)，或者打開納米尺度集裝箱“艙口”以便將載有藥物分子的“貨船”在適當(dāng)?shù)臅r間運送到人體內(nèi)位置正確的傳感器上。 同來自加州理工學(xué)院的JamesHeath一起，Stoddart利用上百萬個輪烷制造出存儲設(shè)備。夾在硅和鈦的電極之間，輪烷能通過電流切換從一個狀態(tài)變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)，并且被用于記錄數(shù)據(jù)。這種分子“算盤”約有13微米寬，并且包含16萬比特，而每一比特都由幾百個輪烷構(gòu)成——密度約為每平方厘米100吉比特，可同今天的商業(yè)化硬盤驅(qū)動器相媲美。 不過，“開關(guān)”并不是很給力，通常在不到100次循環(huán)后便會散架。一種可能的解決方法是將它們裝載入被稱為金屬有機骨架（MOF）的堅硬、多孔晶體中。今年早些時候，來自加拿大溫莎大學(xué)的RobertSchurko和StephenLoeb證實，他們能將約1021個分子梭打包裝進1立方厘米的MOF中。上個月，Stoddart公開了一種不同的MOF，其中包含有開關(guān)控制的輪烷。這種MOF被安裝在電極上，而輪烷能通過改變電壓一起被開啟或關(guān)閉。