2016年诺贝尔化学奖颁给了三位科学家——让-皮埃尔·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）、弗雷泽·斯托达特（J. Fraser Stoddart）和伯纳德·费林加（Bernard L. Feringa）——以表彰他们”设计和合成分子机器”。诺贝尔委员会的颁奖词说：”他们开发出了比一根头发丝细一千倍的分子机器，这些分子机器可以被控制来执行各种任务。”
这一奖项将化学推向了一个全新的维度。传统化学研究的是分子的合成与性质——如何制造、如何反应。而分子机器化学则问了一个不同的问题：你能制造一个能运动的分子吗？你能给它一个指令（光、热、pH变化），让它在分子尺度上进行定向的机械运动吗？
第一步：打破化学键的对称性
制造分子机器的第一个挑战是制造互锁结构。两个独立的化学物质可以混合、反应、生成产物——但分子之间不”挂”在一起。索瓦日在1983年迈出了关键一步：他使用铜离子的配位模板效应，将两个分子环互相穿联，形成了第一个[2]索烃——一个由两个互锁但非共价连接的环状分子组成的结构。
这个成就的革命性在于，索烃中的两个环可以相对旋转。在此之前，分子层面的”运动”只是热布朗运动——随机、无方向。但索瓦日证明，足够的结构设计可以实现分子水平的定向旋转。这不是马达，但它是马达的雏形。
斯托达特将互锁化学推向了更复杂的结构。他在1991年合成了轮烷——一个环状分子穿在一根”轴”状分子上，两端有”塞子”防止环脱落。轮烷的美妙之处在于，环可以在轴上的不同”站点”之间穿梭——在分子尺度上实现线性位移。这就是分子层面的”活塞”。
旋转：费林加的分子马达
如果说索瓦日和斯托达特制造了分子机器的”零件”，费林加则将其变成了真正的”马达”。1999年，费林加团队合成了一种手性烯烃分子，在紫外光照射下，分子的一部分绕碳碳双键旋转180度。随后通过加热，分子完成第二个半圈旋转——实现了一个完整的360度单方向旋转。
这是世界上第一个分子马达：一个能在光的驱动下持续单向旋转的独立分子。它的旋转频率最初很慢（数小时一圈），但经过二十年的改进，费林加团队的分子马达已经可以以MHz（百万转/秒）的频率旋转——比细菌鞭毛马达更快。
2011年，费林加团队用一个分子马达成功驱动了一个宏观物体：他们将分子马达固定在一个液晶薄膜上，当马达旋转时，它搅动了液晶分子的排列，最终使一根比马达本身大10,000倍的玻璃棒发生了肉眼可见的旋转。这是一个令人震撼的演示——单个分子可以驱动宏观世界中的物体运动。
从诺贝尔奖到应用
分子机器距离大规模工业应用还有显著距离，但已经在几个领域显示出明确的潜力：
分子开关与信息存储：轮烷可以在不同状态之间可逆切换，就像分子层面的0和1。斯托达特团队已经展示了基于轮烷的分子内存元件，理论存储密度可达现有硬盘的千倍以上。
智能药物释放：将药物包裹在可以被特定信号（如病变细胞的pH值）触发的分子容器中，实现精准递送。一些基于轮烷的纳米阀门系统已经在细胞实验中展示了靶向释放能力。
分子肌肉：能够在外界刺激下收缩和膨胀的分子组件，有一天可能被用于构造人工分子肌肉——其力量输出将是生物肌肉的千倍以上（以单位截面积计）。
自修复材料：将分子马达嵌入聚合物网络中，当材料受损时，马达驱动网络重新连接，自动修复裂缝。
化学的新边疆
诺贝尔奖评委会在2016年说，分子机器的现状相当于19世纪30年代的电动机——那时电动机还只是实验室的玩具，但一个世纪后它们改变了世界。分子机器能否复制这段历史？不确定。但有一点是明确的：化学已经从”制造分子”进入了”让分子工作”的新时代。
对于年轻的化学家来说，分子机器领域像早期的有机合成一样充满机会。大自然已经用ATP合酶（一个真正的旋转分子马达，每秒旋转100次，效率接近100%）告诉了我们：分子机器是可行的。现在的问题不是”能不能”，而是”能做到多好”。