解读2016诺贝尔化学奖开启分子机器时代(8)

分子泵
在不断追寻具有实际用途的分子机器的过程中，研究人员开始尝试将不同的元件整合到一台装置上。今年五月，斯托达特公开了一种可以把两个环状分子从溶液中拉到存储端的人造分子泵。环状分子首先需要克服哑铃型链状分子一端的空间壁垒，与一个可切换的连接位点相结合。之后连接位点改变自己的结合状态，迫使环状分子被推开并跨过第二道壁垒，到达链状分子的存储端。
这个分子泵系统并不适用于其他类型的分子，而且它经过反复试验才制造成功。“还有很长的路要走啊。”斯托达特不无叹息地说道。但他的发现至少证明分子机器可以用来浓缩分子，打破化学系统的平衡。在生物领域里，利用离子或是分子形成的浓度梯度来建立并存储一定的势能，这样的事情屡见不鲜。“我们正在向生物系统学习如何制造一个分子棘轮。”斯托达特说。
斯托达特认为，这一领域未来的发展应该从两方面入手：在微观层面上，让这些分子机器在分子尺度上完成那些不能用其他手段完成的任务；在宏观层面上，利用数以万亿计的分子机器的集群效应重塑材料形状，或让它们可以像蚁群一样去举起比自身重得多的东西。
也许符合斯托达特微观层面构想的典型例子就是戴维·利所设计的分子流水线。受核糖体的启发，这个基于轮烷系统的流水线可以沿轴捡拾氨基酸分子，将它们添加到一个不断增长的肽链上。但这个装置的妙处还在于它能够产生宏观上的效果——1018个这样的分子流水线在超过36个小时的时间里合成出了几毫克的多肽。“你在实验室里花半小时内没办法完成的事情，分子流水线也没办法完成。然而，这一流水线的出现表明，让分子机器沿既定路线，将沿途分子收集到一起是可以实现的。”戴维·利解释道。他现在正在研究其他类型的分子流水线，比如用于合成具有特定材料特性的高分子聚合物。

分子泵和分子流水线
在宏观层面上，如果数以亿计的分子机器共同协作，确实能够改变材料的某些宏观性质。比如能够根据光或化学信号进行伸缩的智能凝胶就可以用来制造可调节型镜片或传感器。“我敢打赌，在未来五年之内，嵌入了分子开关的新型智能材料就会问世。”费林加说。