解读2016诺贝尔化学奖开启分子机器时代(3)

这也就是为什么该领域的众多专家并不期望分子机器的首批应用会涉及到多么复杂的结构。但他们认为，组成这些分子机器的基本部件将会在众多的科学领域中得到应用：比如用于靶向释药的光敏开关，或是可以根据光信号进行伸缩运动或储能的智能材料，这意味着分子建筑师们需要与其他可能从“分子零件”中受益的领域展开合作。克莱因说：“我们必须让这些合作伙伴们相信，‘分子零件’绝对可以给他们带来惊喜。”
分子穿梭机
我们现在看到的很多分子机器，其原型都可以追溯到1991年由化学家弗雷泽·斯托达特（Fraser Stoddart，2016年诺贝尔化学奖得主）所设计的一个略显粗糙的分子器件。这个分子体系也就是今天我们常常会听到的“轮烷”（rotaxane），由一个环状分子和一个穿过此环状分子空腔的链状分子共同组成。链状分子的两端在结构上具有较大的空间位阻，可以防止套在其中的环状分子滑脱，在靠近两端的地方还含有可与环状分子发生键连作用的化学基团。斯托达特在研究中发现，环状分子可以在链状分子两端的化学位点之间来回移动，由此他设计出了第一个分子级的短程穿梭装置。
1994年，斯托达特改进了他的设计，让链状分子的两端分别带有不同的结合位点，这一新的分子穿梭机在水溶液中试验成功。改变溶液的酸碱度，可以让环状分子在位点间实现可逆的来回移动，使得该“穿梭机”在某种程度上变成了一种可逆型开关。这种可逆型开关在未来不仅可用于制造热敏、光敏或是感受特定化学物质的传感器，还可用做体内纳米级药物载体的开关，在正确的时间和地点释放药物。

斯托达特的分子开关具有两个非常重要的特质，这也正是分子机器的两大特点：
第一，环状分子与链状分子在位点结合的相互作用并不是高强度的共价键，而是带正电区域与带负电区域之间的静电吸引作用。这种作用相对较弱，换句话说，环状分子与链状分子之间的结合可以随时被打破与重建，就像双链DNA间的氢键一样。