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化學家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就職的化學家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?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。