提起机器,许多人可能马上会联想起那些钢铁铸造的大家伙,伴随着庞大的体积与轰鸣的马达声。但是,科学家正潜心研制超微小机器——分子机器。它们的尺度只有纳米(十亿分之一米)大小,但是却有望为人类带来许多福祉。据《新科学家》杂志最新报道,日本科学家最近成功地将两个分子机器组装在一起,形成了首个分子机器结合体,在相关研究中迈出了重要一步。
分子机器像“钳子”
来自日本东京大学的科学家Kazushi Kinbara与同事,日前成功地利用两个分子机器将它们组装成了一个有点像把“钳子”的分子机器,这在同类研究中还是首次。但是打开这个超微型机器X形状结构的一端,却并不会让另外一端也张开来。实际上,正如图所示,打开或收拢这个机器类似于钳子两个把手的一端(图左上侧及图右上侧),会让机器另外一端两块像鳍状踏板的结构旋转90度。
紫外线与可见光作动力
为这个超微型的分子机器提供动力的是紫外线与可见光。当机器受到紫外线照射时,“钳子”的两个把手就会收拢起来,另外一端的两块板状结构则呈平行状态(图右);而当机器受到可见光照射时,“钳子”的两个把手就会打开,而另外一端的两块板状结构则会旋转到相对位置呈90度的状态。之所以会发生这样的变化,是因为当紫外线与可见光照射到机器上时,机器中的氮原子和铁原子之间结合的化学键发生了变化,从而为“钳子”提供了运动的动力。
未来工作在人体
长期以来,科学家一直希望能够研制出在纳米尺度范围内的超微型机器。它们可能会在我们人体内这个大舞台中,或帮助我们疏通拥堵的血管,或者帮助我们修复受损的细胞组织……
近十年以来,科学家已经开发出了许多纳米尺度的分子机器。从由350个原子组成的螺旋桨,到2.5纳米大小的升降机。但是所有这些成果,还都只是理论的演示而已,并没有什么实际应用价值。而即便如此,在纳米尺度上研制出一个分子机器,也是非常困难的事情。于1999年发明出分子马达的波士顿大学的罗斯·凯利指出,“如果能够把两个运动的部件(分子机器)结合在一起,并试图使它们一起工作,那是相当大的成就。”
动力难,组装难
当然,目前科学家依然面临许多困难。比如,分子机器依靠化学键提供动力,所有的力都是在纳米尺度范围内相互作用的,与那些在大尺度上组合设计生产出来的机械设备性能有很大差别。此外,因为尺度非常小,所以对于分子机器而言,磁力作用要比重力作用更重要,因为化学键很可能受到周围的分子影响而发生变化。而且,在如此小的尺度上进行组装操作,更是难上加难了。美国科罗拉多大学的纳米科学家约瑟夫·米歇尔说:“最终的成果或许会在50年后出现?我们还不知道。我们只是才刚刚开始而已。” 潘治