細(xì)看分子機器人

我們周圍隨處可見形形色色的工具和機械，從鉗子這樣的小東西到傳送帶、吊車這樣的龐然大物。科學(xué)家正試圖把對人類來說如此重要的機械在分子尺寸上組裝起來，制造一種極其微小的裝置，這種裝置被稱為“分子機器人”或“分子機器”，這種裝置還能用來操控別的分子。

分子機器人有多大?

“機囂人”被定義為“把操作和作業(yè)作為目的，能自動運行的機械或裝置”，如此說來并不限于所謂“人形機器人”。而“分子機器人”就是在分子尺寸上制造的機器人，其長短大小僅相當(dāng)于1納米左右(1納米是1米的10億分之一)。原子的大小大約在0.1納米左右，分子機器人其實就是把數(shù)十個或者數(shù)百個原子組合起來制成的機器人。

如果能令如此微小的分子機器人隨意支配或者加工其他分子的話，那就是一件令科學(xué)家十分稱心的事了，比如科學(xué)家可憑此制造出與病毒作斗爭的分子機器人，把這種分子機器人送入人體內(nèi)，它們就能自動清除構(gòu)成病毒的分子；或者讓它們?nèi)?zhí)行摧毀癌細(xì)胞的任務(wù)等等。

制造分子機器人的最初構(gòu)想要回溯到半個多世紀(jì)前的1950年。美國著名物理學(xué)家理查德·費曼第一次提出，未來制造微小機械讓其執(zhí)行各種各樣作業(yè)將成為可能。盡管費曼并沒有提出分子機器人的具體概念，但是從那以后，制造分子機器人就成為人類夢寐以求的向往。不過科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程并非輕而易舉，單單操作納米尺度上的原子、分子就極其困難，況且科學(xué)家組裝起來的還必須是“把操作和作業(yè)作為目的，能自動運行”的機械。

分子機器人的“發(fā)動機”

對一般機械，如汽車來說，動力是必不可少的。對分子機器人來說也是如此，若干種相當(dāng)于發(fā)動機的裝置正在研制中。比如偶氮苯分子，這種分子是將兩個苯環(huán)用兩個氮原子連接而成的。有趣的是，在不同的光照下，偶氮苯的構(gòu)造會發(fā)生變化：當(dāng)照射紫外線的時候，苯環(huán)之間彼此距離會縮短；當(dāng)照射可見光的時候，苯環(huán)彼此之間距離會伸長。如果能讓收縮和伸長這兩個動作多次往復(fù)進(jìn)行，那么，靠光照運行的機器人就呼之欲出了。

還有一種雙環(huán)結(jié)構(gòu)也可以充當(dāng)分子機器人的“發(fā)動機”，有人把其稱為分子尺寸的“智慧之環(huán)”，其構(gòu)造相當(dāng)于兩個環(huán)像鎖鏈一樣套接在一起，在它們相交的部位嵌入金屬原子(一般是銅原子)，這樣就可以把它作為“發(fā)動機”使用。向雙環(huán)結(jié)構(gòu)施加電壓或撤除電壓，金屬原子的電子數(shù)就會發(fā)生變化(因為發(fā)生了氧化或還原反應(yīng))，雙環(huán)與金屬原子結(jié)合的位置也會隨之發(fā)生變化，于是這個雙環(huán)結(jié)構(gòu)就會往復(fù)不停地運動起來。

此外，在一部機械中，用于傳遞動力的部件是必不可少的，如果不能把發(fā)動機的動力傳遞給輪胎，汽車便無法行進(jìn)。目前科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多可以用作分子機器人類似部件的分子，其中有與分子突出部位相嚙合的類似齒輪的“部件”，有以軸為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動的“部件”，不一而足。

扭轉(zhuǎn)分子的“分子鉗”

目前，日本科學(xué)家研制成功了更為先進(jìn)的分子機器人，這就是能夠夾持分子，進(jìn)而扭轉(zhuǎn)使分子變形的“分子鉗”。

分子鉗的構(gòu)遣是這樣的，“發(fā)動機”采用前面提到過的偶氮苯，在分子鉗中，偶氮苯所提供的“動力”相當(dāng)于對鉗子的握把。把偶氮苯的動作傳遞給分子鉗的前端起支點作用的“部件”是二茂鐵。我們知道，在機械中有一種使旋轉(zhuǎn)運動平滑進(jìn)行的部件，那就是軸承。與此相近，科學(xué)家在分子鉗的前端采用了一種稱為“鋅卟啉”的部件，它具有易與堿性物質(zhì)分子相結(jié)合(即發(fā)生中和反應(yīng))的性質(zhì)。一旦分子鉗與堿性物質(zhì)分子接觸，分子鉗的前端就會與堿性物質(zhì)分子相結(jié)合，于是分子鉗便“夾緊”了分子。此時一旦照射紫外線，導(dǎo)致苯環(huán)收縮，這個動作通過充當(dāng)支點的二茂鐵傳遞給分子鉗前端的鋅卟啉，分子鉗的前端就會開啟；當(dāng)照射可見光時，導(dǎo)致苯環(huán)伸長，于是分子鉗前端閉合。與分子鉗前端結(jié)合的堿性物質(zhì)分子的形態(tài)就會因這一伸一縮，一緊一松而被迫扭轉(zhuǎn)變形。

分子鉗的開發(fā)具有重要意義，使用分子機器人對目標(biāo)分子進(jìn)行某些實際操作，這在世界上還是第一次，使分子機器人的開發(fā)邁出了關(guān)鍵性的一大步。

分子機器人的制造

目前人類掌握的技術(shù)已經(jīng)能夠在物質(zhì)的表面一個一個地移動原子，但是要利用這種技術(shù)制造分子機器人能力還有所不及。但是分子機器人在自然界中并不罕見。就拿人體來說，其實就是微小的精密機械的組合體。DNA(脫氧核糖核酸)上記錄了遺傳信息的復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成。肌肉的張弛、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸?shù)龋谌祟愃猩顒又校绻軌驈姆肿铀缴嫌^察，就可以看到正在運行的無數(shù)微小精密機械。

要人工制造分子機器人其捷徑仍然是模仿生物體中的分子機器人，但是生物體中的分子機器人完全是自動組裝而成的，個中機理科學(xué)家還沒有完全弄清楚。由于分子機器人種類各不相同，材料姑且不論，由于溫度、壓力、酸堿度等條件復(fù)雜地?fù)诫s其間，制造人工分子機器人過程難免會錯誤百出。

為了制造分子機器人，首先做出設(shè)計是必要的。比如分子鉗就是把偶氮苯作為“發(fā)動機”，二茂鐵作為“軸承”，鋅卟啉作為“鉗子”。設(shè)計結(jié)束后轉(zhuǎn)入組裝，將材料置入溶液中，加溫的同時加入催化劑，要組裝出像設(shè)計圖上那樣的分子機器人，一蹴而就顯然不行。日本科學(xué)家制造成功分子鉗最終用了1年左右的時間。

分子機器人的應(yīng)用

分子機器人最初的應(yīng)用應(yīng)是以醫(yī)療等領(lǐng)域為中心。比如針對病毒的分子機器人，讓分子鉗前端的部件只能與特定的病毒相結(jié)合，達(dá)到清除病毒的目的；還有向癌腫部位集中投放藥劑的分子機器人，分子鉗前端攜帶藥劑，在病患部位周圍投放。

除了分子鉗，其他種類分子機器人的研制也在進(jìn)行中。比如人工細(xì)胞膜，能伸縮自如的人工肌肉等。不僅在醫(yī)療領(lǐng)域，在工程方面分子機器人也有應(yīng)用，比如把分子機器人作為電子計算機的記憶元件，如果成功的話，就能夠?qū)崿F(xiàn)電子計算機的高性能化和小型化。再發(fā)揮一些想象，使用分子機器人將空氣、水和土壤中的分子和原子重新排列，制造出糧食也有可能……(文章代碼：100212)

責(zé)任編輯 龐云