后來斯托達(dá)特開發(fā)出了讓他獲得2016年度諾貝爾獎(jiǎng)的分子，利用的正是分子間的互相吸引。1991年他的團(tuán)隊(duì)造出了一個(gè)開環(huán)，上面缺乏電子；還造出一根長(zhǎng)棒（輪軸），這根軸上有兩處富集電子（圖3）。當(dāng)這兩種分子在溶液中相遇時(shí)，缺電子的那個(gè)就會(huì)被有電子的那個(gè)吸引，于是環(huán)被套進(jìn)了軸上，接下來把環(huán)加以閉合，讓環(huán)不會(huì)掉下來。于是他們以極高的產(chǎn)率得到了“輪烷”：一個(gè)環(huán)狀分子以機(jī)械作用套在一個(gè)軸上。

　　接下來斯托達(dá)特利用了環(huán)能在軸上移動(dòng)的特性。加熱時(shí)，環(huán)會(huì)在軸的兩個(gè)富電子部分之間前竄后跳——就像一個(gè)微型梭。1994年，他們做到了完全控制其運(yùn)動(dòng)，使得它不再像置于其他化學(xué)系統(tǒng)中那樣只會(huì)自由隨機(jī)移動(dòng)。　

　　圖3：斯托達(dá)特創(chuàng)造的“分子梭”，它以可控的方式在輪軸上移動(dòng)

　　電梯，肌肉和迷你芯片

　　從1994年開始，斯托達(dá)特的研究團(tuán)隊(duì)就使用各種輪烷來建構(gòu)多種分子機(jī)器，包括電梯（2004年，見圖4），它可以將自己從表面上抬高0.7納米；還有人造肌肉（2005），其中輪烷能把一塊非常薄的金箔弄彎。

　　斯托達(dá)特還和其他研究者聯(lián)手開發(fā)了一種基于輪烷的計(jì)算機(jī)芯片，能儲(chǔ)存20kB的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)今計(jì)算機(jī)芯片中的晶體管已經(jīng)十分微小，但是和輪烷基芯片一比都要算是巨型了。研究者相信分子計(jì)算機(jī)芯片能夠像硅片晶體管當(dāng)年那樣，給計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來又一次革命。

　　圖4：斯托達(dá)特的“分子電梯”

　　索維奇也在探尋輪烷的潛力。在2000年，他的團(tuán)隊(duì)成功地將兩個(gè)環(huán)形分子串到了一起，形成了一個(gè)彈性結(jié)構(gòu)，有點(diǎn)像人的肌肉中的細(xì)絲（圖5）。他們還造出了一種類似馬達(dá)一樣的東西，輪烷的圈在各個(gè)不同方向上交替旋轉(zhuǎn)。對(duì)于分子機(jī)械工程來說，重要的目標(biāo)是制造出一個(gè)能夠在同一方向上持續(xù)旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)。在1990年代，該領(lǐng)域的研究者們作出了許多不同的嘗試，但是最先沖過終線的是荷蘭人伯納德·L·費(fèi)林加。

　　圖5：索維奇將兩個(gè)分子環(huán)串在一起，這個(gè)結(jié)構(gòu)可以拉伸和回縮。

　　費(fèi)林加建造了第一個(gè)分子馬達(dá)

　　和斯托達(dá)特相仿，費(fèi)林加同樣成長(zhǎng)在農(nóng)場(chǎng)里，被化學(xué)中無窮無盡的創(chuàng)造可能性所吸引。就如他在一次采訪中所說：“也許化學(xué)的力量不在僅于理解，更在于創(chuàng)造，制造出前所未有的分子和材料……”

　　在1999年，當(dāng)費(fèi)林加建造出第一個(gè)分子馬達(dá)時(shí)，他用了若干妙計(jì)使得它只朝同一方向旋轉(zhuǎn)，并保持此方向不變。正常情況下，分子的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的分子向左與向右轉(zhuǎn)動(dòng)的概率大體相同。但費(fèi)加林通過機(jī)械構(gòu)建，設(shè)計(jì)出了一種分子，讓其只朝一個(gè)特定方向旋轉(zhuǎn)（圖6）。

　　圖6：當(dāng)費(fèi)林加創(chuàng)造出第一個(gè)分子馬達(dá)時(shí)，它的機(jī)械構(gòu)造被設(shè)計(jì)成向特定方向旋轉(zhuǎn)的樣子。他的研究小組已經(jīng)對(duì)馬達(dá)進(jìn)行了優(yōu)化，現(xiàn)在它的轉(zhuǎn)速達(dá)到了每秒1200萬。

　　分子由兩個(gè)小旋翼葉片般的結(jié)構(gòu)組成，它們是兩個(gè)平面的化學(xué)結(jié)構(gòu)，由一對(duì)碳碳雙鍵連接。每個(gè)葉片分別與一個(gè)甲基相連，它們和葉片一起如同棘輪般運(yùn)作，迫使分子朝同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)分子被暴露在紫外線脈沖下時(shí)，一個(gè)旋翼葉片圍繞中心的雙鍵翻躍了180度。接著，棘輪運(yùn)轉(zhuǎn)到位。當(dāng)下一束脈沖到來時(shí)，葉片又再翻躍了180度。這個(gè)過程不斷重復(fù)，分子就一圈圈按照相同方向旋轉(zhuǎn)。

　　第一個(gè)分子馬達(dá)的速度并不快，但費(fèi)林加的研究組對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。在2014年，馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到了每秒1200萬轉(zhuǎn)。2011年時(shí)，研究組還制造了一個(gè)四輪驅(qū)動(dòng)納米車，一個(gè)分子底盤將四個(gè)馬達(dá)聯(lián)結(jié)在一起，當(dāng)作車輪使用。當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，納米車就在表面上向前行駛。

　　圖7：費(fèi)林加的四輪分子車。

　　轉(zhuǎn)動(dòng)小玻璃圓柱的分子馬達(dá)

　　在另一個(gè)激動(dòng)人心的實(shí)驗(yàn)中，本·費(fèi)林加的研究團(tuán)隊(duì)用分子馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)28微米長(zhǎng)的玻璃圓柱（比分子馬達(dá)本身大10000倍）。在實(shí)驗(yàn)中，他們將馬達(dá)納入液晶（一種具有晶體結(jié)構(gòu)的液體）中。大概只有1%的液晶里有分子馬達(dá)，然而，當(dāng)研究者開始讓它們轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)改變了液晶的結(jié)構(gòu)。當(dāng)研究者將玻璃圓柱放到液晶上時(shí)，它也開始因馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。

　　可用于構(gòu)建的分子工具箱

　　讓-皮埃爾·索維奇、弗雷澤·斯圖達(dá)特和本·費(fèi)林加開創(chuàng)出了分子機(jī)器發(fā)展的道路，因此誕生的一系列化學(xué)結(jié)構(gòu)，成了全世界研究者用來進(jìn)一步創(chuàng)作的工具箱。其中最令人震撼的例子是一個(gè)可以抓取并連接氨基酸的分子機(jī)器人。它是2013年以輪烷為基礎(chǔ)建造出來的。

　　其他研究者已經(jīng)在將分子馬達(dá)與長(zhǎng)聚合物相連，從而使之形成精細(xì)糾纏的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)分子馬達(dá)照到光時(shí)，它們就會(huì)將聚合物纏繞成混亂的一捆。通過這種方式，光能就被存儲(chǔ)在分子中。假如研究人員能找到辦法來重新利用這些能源，就能開發(fā)出一種新電池。當(dāng)馬達(dá)纏起聚合物時(shí)，這種材料還會(huì)縮小，因此可以開發(fā)成受光控制的傳感器。

　　遠(yuǎn)離平衡——邁向全新而充滿活力的化學(xué)

　　這些研究進(jìn)展之所以能獲得2016年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，很重要的部分原因在于研究者驅(qū)動(dòng)著分子系統(tǒng)遠(yuǎn)離所謂的平衡態(tài)。所有的化學(xué)系統(tǒng)都會(huì)力圖達(dá)到平衡——一種低能量狀態(tài)——但這也是種僵局。我們可以舉出生命這個(gè)例子。當(dāng)我們進(jìn)食時(shí)，人體內(nèi)的分子從食物中汲取能量，推動(dòng)我們的分子系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡，去向更高能量的狀態(tài)。生物大分子隨后再用這些能量來推動(dòng)必不可少的化學(xué)反應(yīng)，這樣身體才能存活。假如身體處在化學(xué)平衡態(tài)，我們就死得不能再死了。

　　和生命分子一樣，索維奇、斯托達(dá)特和費(fèi)林加的人造分子系統(tǒng)能執(zhí)行受控任務(wù)?；瘜W(xué)因此向著全新世界邁出了第一步。時(shí)間已經(jīng)清楚無誤地顯示出微型化對(duì)計(jì)算機(jī)科技有多大的革命性作用，而我們才剛剛看到微型化改變機(jī)械的第一階段而已。從發(fā)展的角度看，現(xiàn)在的分子馬達(dá)就相當(dāng)于1830年代的電動(dòng)馬達(dá)，那時(shí)的研究者會(huì)在實(shí)驗(yàn)室里驕傲地展示各式各樣的旋轉(zhuǎn)曲柄和動(dòng)輪，而絲毫不知這些東西將導(dǎo)向電動(dòng)火車、洗衣機(jī)、風(fēng)扇和食物料理機(jī)。

　　因此，費(fèi)曼富有遠(yuǎn)見地演講完32年后，我們?nèi)匀恢荒懿孪胛覀兠媲坝兄嗝戳钊思?dòng)的發(fā)展。但我們終于能明確回答他最初提出的那個(gè)問題——你能做出多小的機(jī)械？至少比頭發(fā)絲直徑小1000倍。