解读2016诺贝尔化学奖开启分子机器时代(4)

第二，斯托达特设计的分子“穿梭机”并不需要外在能量就能完成往复运动：装置运行的驱动力来源于溶液中分子间的相互碰撞，也就是常说的布朗运动。
在这之后，五花八门的分子开关层出不穷。有的是基于光或温度的变化，有的则是通过结合溶液中特定的离子或分子来实现开/关，而后者的原理与细胞膜上的离子通道响应外界化学信号来进行开/闭的工作模式如出一辙。
然而，斯托达特却在这股潮流中将他的研究引向了另一个方向。他与加州理工学院的詹姆斯·希思（James Heath）合作，用数百万个轮烷制造出了一个三明治型的数据记录装置。这些轮烷被夹在硅电极与钛电极之间，可在电信号的作用下从一种状态切换到另一种，由此完成数据的记录。
这一“分子存储器”长约13微米，可记录16万比特的信息，每比特对应几百个轮烷分子。这样的存储密度相当于每平方厘米可存储约100GB的数据，与目前最好的商用硬盘相比也毫不逊色。斯托达特的团队用该数据记录装置中最稳定的24个比特单位，存储并检索出了“CIT”三个字母（加州理工学院的首字母简称）。
但他的这一装置并不结实，使用了还不到100次，就土崩瓦解了。一个可行的解决办法是将它们加载到更坚韧的多孔材料——金属有机骨架材料（metal-organic framework，MOF）上。这种材料不但可以保护装置，还可以通过有效的组织形成精确的3D阵列。
今年早些时候，加拿大温莎大学的罗伯特·舒尔科（Robert Schurko）和斯蒂芬·勒布（Stephen Loeb）宣布，他们已经可以在每立方厘米的金属有机骨架材料中嵌入大约10^21个分子穿梭机。而就在上个月，斯托达特公开了另一种加载有“开关型轮烷”的金属有机骨架材料。该材料与一个电极相连，通过改变电压，可以让全体轮烷分子同时完成开关状态的转变。
研究金属有机骨架的专家希望这些结实的3D骨架能够提供比传统硅晶体管更高密度的分子开关，并且让这些分子开关在转换时更易控制，以便提供超强的数据存储能力。“用科幻的眼光展望，我们希望让每一个分子都可以存储一比特的信息。”勒布说道，“但更现实的想法是让一块包含有上百个分子开关的金属有机骨架材料存储一比特的信息。只要骨架材料上大部分的分子开关都运行良好，它们就可以用来有效地编码数据。”
还有一些科学家利用轮烷来制造可切换型催化剂。2012年，戴维·利在其发表的文章中介绍了一种带有氮原子的轮烷系统。氮原子位于链状分子的中段，即环状分子包围着的位置。当向该系统加入酸性溶液时，环状分子会移向轮烷的一端，将中间的氮原子暴露出来。这时，氮原子就可以作为催化剂去催化某些化学反应。而就在去年11月，戴维·利又将他的研究推进了一步：他设计了一种含有两个不同催化位点的轮烷系统。当环状分子从一端移向另一端时，轮烷的反应活性也会随之改变，因此该系统可以用两种不同的方式来处理体系中的分子混合物。