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淺析迷你型機器人 分子界的“建筑師”

這或許是來(lái)自一家高科技工廠(chǎng)的一幕，只是這條流水線(xiàn)只有幾納米長(cháng)。 機器人沿著(zhù)軌道緩慢移動(dòng)著(zhù)，并且有規律地停頓，以便伸出小心翼翼地將組件撿起來(lái)的手臂。手臂將組件連接到機器人后背上的精細構造，然后機器人向前移動(dòng)并且重復這一過(guò)程——根據的設計，有條不紊地將零部件串在一起。 

這或許是來(lái)自一家高科技工廠(chǎng)的一幕，只是這條流水線(xiàn)只有幾納米長(cháng)。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)設計出的zui復雜的分子級機器。 這并非個(gè)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)現的像機器一樣的生物分子。過(guò)去25年里，這些研究人員設計出一系列令人印象深刻的開(kāi)關(guān)、棘輪、發(fā)動(dòng)機、推進(jìn)器，甚至更多——就像它們是納米尺度的樂(lè )高部件一樣，能被集成在一起成為分子機械。與此同時(shí)，多虧了分析化學(xué)工具和使建造大型有機分子更加簡(jiǎn)單的反應的改進(jìn)，進(jìn)展正在加速。

一臺分子“納米汽車(chē)”沿著(zhù)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(gè)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(jiǎn)單的設備。那是一個(gè)被稱(chēng)為輪烷的組合體，其中環(huán)狀分子被一個(gè)“軸”穿過(guò)，而“軸”是兩端均由體積較大的“塞子”堵住的線(xiàn)性分子。這個(gè)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(gè)化學(xué)基團。Stoddart發(fā)現，環(huán)狀分子能在這兩個(gè)點(diǎn)之間來(lái)回移動(dòng)，從而創(chuàng )建了*分子梭。 

1994年，Stoddart改進(jìn)了設計，使得“軸”擁有兩個(gè)不同的結合位點(diǎn)。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(gè)地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)地點(diǎn)，從而使分子梭成為一個(gè)換向開(kāi)關(guān)。類(lèi)似的分子開(kāi)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，或者打開(kāi)納米尺度集裝箱“艙口”以便將載有藥物分子的“貨船”在適當的時(shí)間運送到人體內位置正確的傳感器上。 同來(lái)自加州理工學(xué)院的JamesHeath一起，Stoddart利用上百萬(wàn)個(gè)輪烷制造出存儲設備。夾在硅和鈦的電極之間，輪烷能通過(guò)電流切換從一個(gè)狀態(tài)變?yōu)榱硪粋€(gè)狀態(tài)，并且被用于記錄數據。這種分子“算盤(pán)”約有13微米寬，并且包含16萬(wàn)比特，而每一比特都由幾百個(gè)輪烷構成——密度約為每平方厘米100吉比特，可同今天的商業(yè)化硬盤(pán)驅動(dòng)器相媲美。 不過(guò)，“開(kāi)關(guān)”并不是很給力，通常在不到100次循環(huán)后便會(huì )散架。一種可能的解決方法是將它們裝載入被稱(chēng)為金屬有機骨架（MOF）的堅硬、多孔晶體中。今年早些時(shí)候，來(lái)自加拿大溫莎大學(xué)的RobertSchurko和StephenLoeb證實(shí)，他們能將約1021個(gè)分子梭打包裝進(jìn)1立方厘米的MOF中。上個(gè)月，Stoddart公開(kāi)了一種不同的MOF，其中包含有開(kāi)關(guān)控制的輪烷。這種MOF被安裝在電極上，而輪烷能通過(guò)改變電壓一起被開(kāi)啟或關(guān)閉。