分子機器檢視原始碼討論檢視歷史

原圖鏈接搜狐滾動

分子機器（Molecular machines）是由分子尺度的物質構成、能行使某種加工功能的機器，其構件主要是蛋白質等生物分子。分子機器的尺寸多為納米級，又稱生物納米機器，具有小尺寸、多樣性、自指導、有機組成、自組裝、準確高效、分子柔性、自適應、僅依靠化學能或熱能驅動、分子調劑等其他人造機器難以比擬的性能，對研究生物納米機器具有重大意義。它可以促進生物學發現，深入認識蛋白質分子機器機制，開發生物分子機器和促進仿生學發展。

研究歷史

從20世紀90年代起，法國圖盧茲材料設計和結構研究中心就已着手研製分子機器。

1998年，成功合成平面分子車輪。

2005年，首次研製出分子發動機。

2007年，研製出的「分子輪」是第一台真正的分子機器。這個非常奇特的分子包括2個直徑為0.7納米，由三苯甲基分子組成，被固定在長0.6納米的軸上的「車輪」。所有分子機器的化學結構均被固定在銅基上。

科學家讓-彼埃爾·索瓦與詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特、伯納德·費靈格共同研究分子機器的設計和合成，他們開發出比人類頭髮絲直徑還要小1000倍的分子機器。分子機器是一個有關他們如何成功地將分子連接起來，設計出微型電梯，微型馬達以及微型肌肉的故事。

分子誕生

分子機器是納米研究領域的重點。

2007年， 法國圖盧茲材料設計和結構研究中心與德國柏林大學科學家就在美國《自然納米技術》 雜誌上共同發布一項重要成果：成功研製出可旋轉的「分子輪」，並組裝出了真正意義上的第一台生物分子機器。

動力來源

分子機器的動力來源主要有 化學驅動、電驅動和光驅動，比如ATP合成酶轉子是由於質子的流動而旋轉，這屬於化學驅動；索烴是由於銅離子電子的得失而行使其功能，屬於電驅動；而分子蠕蟲的「前進」是光照引起了偶氮分子構象的改變引起的，這屬於光驅動。

發展前景

從分子機器人能夠在生物體內自動生成來設想，其最初的應用似乎應是以醫療等領域為中心。比如針對病毒的分子機器人，也許可以通過研發分子鉗予以實現。加工分子鉗前端的部件，使它只能與特定的病毒相結合。而且，可以利用分子鉗那樣的分子機器人，向癌腫部位集中送達藥劑等。 隨着生物技術水準的迅速進步，這樣的生物技術藥物可能會很快地代替現有藥物，為人類創造更好的福祉，可是這些構建出來的融合蛋白還遠遠未能表達出人們所企求的結構和功能水準——人工多結構域「蛋白質機器」所應該具有的理想境界，充其量它們只能算作是蛋白質分子機器的一個雛形。現在，正有科學家試圖把如此重要的機械在分子尺寸上組裝起來，製造一種極其微小的裝置，科學家意圖使用這種裝置來操控別的分子，運用於醫學可以用來清除肌體深處的病毒、癌細胞等，它們具有不可限量的應用前景。

不少國家紛紛制定相關戰略或者計劃，投入巨資搶占分子機器人這種新科技的戰略高地。《機器人時代》月刊日前指出：分子機器人潛在用途十分廣泛，其中特別重要的就是應用於醫療和軍事領域。

每一種新科技的出現，似乎都包涵着無限可能。用不了多久，個頭只有分子大小的神奇分子機器人將源源不斷地進入人類的日常生活。

物質軟件 物質將成為軟件——不是印錯了，確實是「物質將成為軟件」。其結果是：我們將不僅能夠利用因特網下載軟件。還能下載硬件。以上是邁特公司納米技術權威詹姆斯.埃倫博根作出的預測。該公司是五角大樓資助的、設在弗吉尼亞州麥克萊恩的一家研究中心。

納米是1米的十億分之一，納米技術是指製造體積不超過數百個納米的物體，其寬度只有幾十個原子聚集在一起的寬度。把自動組裝生產裝置縮小到如此規模。製造業受到的影響是相當明顯的：整個生產行業可能被徹底改造。它有可能在21世紀的頭十年裡從半導體生產開始，然後擴展到諸如蜂窩電話等小型 產品的生產。

埃倫博根對他提出的物質變軟件的景象作了引人入勝的解釋：「人們可以想一想當今下載軟件是什麼情形，是以改變分子團磁性特徵的方式重新安排磁盤的物質結構。如果計算機的內容不超過分子團的體積，就可以通過重新安排磁盤上的分子製造芯片。」埃倫博根說，研究人員已經忙於研製體積只有針頭大的計算機，「這種納米計算機的各個部件比我們現今用於在磁盤驅動器上裝載信息的有形結構小得多。因此，在不久之後的某一天，我們將能夠像今天下載軟件一樣從網絡里下載硬件。」

新的磁盤驅動將需要以有形的方式複製一些硬件下載。一種設想是用極為尖細的點束製造一種讀寫磁頭，以某種方式刺激原子和分子。

埃倫博根說：「一旦我們掌握了製造體積不超過鹽粒大的計算機的技術，我們就會從根本上來說處於一種新的形勢。」體積那麼微小的計算機將非常便宜，因而隨處都可以使用計算機。嵌在內衣里的計算機將告訴洗衣機應當用什麼水溫洗滌內衣。圓珠筆筆芯中的墨水即將用完的時候，嵌在筆中的計算機將提醒你更換筆芯。嵌在鞋裡的計算機將向汽車發出信號，把主人走過來的信息通知汽車，讓汽車調整好座位和反光鏡並打開車門。

納米盒 這種物質變軟件的關鍵是納米盒。這是一種把納米製造技術與現今所謂的台式製造方法相結合的未來複印機。如果你需要一部新的蜂窩電話，你可以通過網絡購買一種製作蜂窩電話的方法。它將告訴你插入一個塑料片，把導電分子注入「色粉」盒中。納米盒將把塑料片來回移動，記下分子的型式，然後通過電子指引分子自行組裝成電路和天線。下一步是：納米盒利用不同的「色粉」加上號碼鍵、揚聲器和麥克風，最後製造外殼。

不要指望在2020年以前能出現這種精巧的小裝置，這種納米「機床」的研製起始於2005年。在隨後的10年間，納米製造系統可能被用於生產「記錄載體」，即初步生產納米芯片。

納米技術的一個分支稱為分子電子研究2007年7月朝着實現這個目標取得了具體的進展。由洛杉磯加利福尼亞大學和惠普實驗室科學家組成的研究小組找到了一種由分子自行組裝的所謂的「邏輯」門——使分子的開合在邏輯上與實際中都等同於電路的開關。惠普實驗室研究人員菲利普.庫克斯說，這個研究小組下一步的目標是縮小芯片上的線路，旨在生產出「單面體積為100納米的芯片」。他還說：「目前的芯片生產成本之所以非常昂貴，是因為生產機械需要有極高的精確度。但是採用化學方法製造，我們可以像柯達公司生產膠片那樣——生產出長卷，然後只需切成小塊就行了。」

這樣的設想引起了華盛頓的興趣。美國國防部高級研究計劃局7個月前開始實施一項分子電子研究計劃。國會似乎急切地想大大增加納米技術的研究經費。一項計劃將使納米技術目前2.32億美元的研究經費在今後3年中翻一番。白宮可能也會表示贊成，因為白宮已經把納米技術列入11個關鍵研究領域。

塵埃機器 邁特公司埃倫博根領導的研究人員在本月中旬取得的最新成果是設計出一種用於組裝納米製造系統的微型機器人。目前設計出的這種機器人的長度約為5毫米。但是，假設能利用納米製造技術使這種機器人的體積不斷縮小，它最終的體積可能不會超過灰塵的微粒。

體積那麼微小的機器人能夠像展望研究所創始人埃里克.德雷克斯勒設想的那樣，可以用於操縱單個原子。德雷克斯勒在 1986年出版的《創造的發動機》一書中對納米技術的潛在用途作了一番引人入勝的描述。是德雷克斯勒開創了納米技術時代，並啟發人們作出如下的種種設想：成群的肉眼看不見的微型機器人在地毯上或書架上爬行，把灰塵分解成原子，使原子復原成餐巾、肥皂或納米計算機等諸如此類的東西。

雖然用原子製造計算機仍然是一個相對遙遠的夢想，但是埃倫博根認為很快能取得研究成果。他說：「我敢打賭，這能在近期內研究成功。」這似乎是為納米技術下的一個大膽的賭注。

分子機器，離我們並不遙遠

到2020年，你只要通過網絡購買一份 個人電腦"配方"， 然後將可塑性導電分子插入你的"納米盒"中，該設備就會按 配方造出一台你所需要的電腦。

硬件軟件化，這並不是印刷錯誤。"硬件將會軟件化。 因此，利用因特網將不僅可以下載軟件，而且還可以下載硬件。"Mitre公司負責納米技術研究的艾倫博根這樣預言，Mitre公 司是由美國國防部資助的一個研究中心。

納米技術，就是製造小於幾百個納米器件的工藝，其尺寸也就是數十個排成一列的原子的跨度。將自動化裝配降低到如此小的尺寸，顯然會給所有的生產製造部門帶來強大的衝擊。在2010年，這種納米技術可能首先會在半導體器件上取得 突破，然後是其它微小器件，如蜂窩電話等。

艾倫博根就硬件軟件化的 設想，舉了一個很 實際的例子。" 今天，當你 下載軟件時，仔細思考一下所發生的過程，其實你不過是在通過改變分子簇的磁性，從而重排磁盤上的物質結構！"如果計算機內置比那些分子簇還要小，就可以重排磁盤上的分子來製造芯片。研究人員已經在着手開發一種針頭大小的計算機。"這些構成納米計算機的部件，要比我們現在所製造的、用於在磁盤驅動器中保存信息的物質結構小得多。"艾倫博根說道，"也許，在不久的將來，我們從網絡上 下載硬件就像我們今天下載軟件一樣容易！"

新的磁盤驅動器將用來 複製一些下載的硬件。其中一種方法是用一簇非常銳利細小的針尖來製作一種讀寫磁頭，以便輕輕移動原子或分子。斯坦福大學的夸特和康奈爾大學的馬夫德爾領導的兩個研究小組正在進行相關工作，利用隧道掃描電鏡的探針或相關的工具來移動原子。 1990年，美國加州IBM研究中心的物理學家艾格勒首次成功地在鎳片上利用35個氙原子 拼出了"IBM"三個字母。

"一旦我們 擁有製造鹽粒大小的計算機的技術，我們將處在一個全新的天地里。"艾倫博根說道。如此小的計算機將會非常便宜，因而它們將到處可見。這種微型計算機可以提醒洗衣機當前的水溫是多少；當原珠筆墨水變少時，它會閃爍報警；當你的鞋中裝有這種微型計算機時，你的汽車就會知道你正在走近它，從而調整座位、鏡子並打開車門。

硬件軟件化的關鍵技術是納米盒。它是一種將納米製作技術與今天所謂的桌面製作法結合起來的未來複製機器，主要用來快速複製新產品。如果你需要一部移動電話，可以通過網絡購買一個配方，它會告訴你在"調色"箱中插入一塊塑片，並噴入導電分子。納米盒將反覆掃描塑片，記下分子的圖案，然後引導它們自動組裝成線路、天線。下一步，使用不同的調色箱，納米盒將制出微型鍵盤、 揚聲器、 麥克風，最後製成所需的實體。這種微型裝置可能到2020年左右才會問世。首次從網絡上實現下載納米電腦線路的實驗，估計也得等到 2005年之後。

這一目標的實質性突破，來自於納米技術的分支--分子電子學的發展。美國加州大學和惠普實驗室的研究小組展示了他們利用分子自組裝製造的所謂的邏輯門。接下來，研究小組所要做的就是將這些布線縮小在芯片上，製造納米級的芯片。在100納米尺寸內製造芯片，其費用目前相當昂貴。美國國防高級研究工程處已經發起了一個名為分子電子學的項目。國會也希望能夠在納米技術研究上投入更多的經費，其中一個計劃就是在3年內將目前用於納米研究的23.2億美元預算翻一番。白宮已經將納米技術定為11項核心技術領域之一。

讓我們再次回到Mitre公司。1999年8月中旬，艾倫博根所在的研究小組成功設計了一種可以幫助裝配納米製造系統的微型機器人。目前，這種微型機器人一邊長約5毫米，即1/6英寸。設想這些機器人利用納米技術進一步製造比它們自己更小的機 器人，那麼最終的機器人將會比塵埃還要小。

如此之小的機器人，將會實現德雷克斯勒關於操縱單個原子的納米機器人的幻想。實質上，德雷克斯勒開創了納米技術時代，並提出了許多富有靈感的想法，如納米機器人漫遊在地毯、架子上，將塵埃拆分為原子，然後將其重新組合為餐巾、肥皂或其它任何物體-- 包括納米計算機。

雖然利用一個個原子來製造計算機目前還是一個遙遠的夢想，但是艾倫博根卻持樂觀態度，他認為很快會有結果："我可以打賭，分子電子學將會實現這個近期目標。"

研究獲獎

瑞典斯德哥爾摩當地時間2016年10月5日11時45分，讓-彼埃爾·索瓦與詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特、伯納德·費靈格因「在分子機器的設計和合成」方面的貢獻獲2016年諾貝爾化學獎。