为应对天气变革, 做为清洁能源的电能正在诸多应用场景中逐渐代替化石燃料。而做为内燃机的合作敌手，电动马达也在敏捷攫取市场份额。
大约在 200 年前，物理学家将那种既恬静又环保的机器——电动机带入了人类世界。现在，街头巷尾上各处都是电动马达驱动的电动汽车。
那么，能否把宏不雅世界的马达缩小成比头发万分之一还小的纳米马达呢？1959 年，美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）曾赏格 1000 美圆，奖励给第一个造造出曲径小于 1/64 英寸（0.4 毫米）的马达的人。
没想到仅仅过了一年，电气工程师兼业余造表师威廉·麦克莱伦 (William McLellan) 就造做出生避世界上最小的马达，重量只要 200 微克，尺寸到达了费曼的要求，也博得了奖金。
但是，麦克莱伦利用是其时已有的机械工程手艺，而非新的纳米手艺。
要晓得，微不雅世界有着与宏不雅世界差别的物理规则。在那个肉眼看不见的世界里，充满着无规则的布朗运动。因为是无规则的，因而在分子标准上实现可控单向运动面对着重重困难。
值得高兴的是在过去几十年里，颠末科学家们的不竭勤奋，学界在那一范畴获得了诸多停顿，好比分子穿越机、分子马达等。做为分子机器，它们能在纳米世界里将外部能量转化为定向运动。
鉴于此，2016 年，诺贝尔化学奖颁给了研究分子机器的三位科学家：别离是法国科学家让-皮埃尔·索维奇（Jean-Pierre Sauvage）传授、美国西北大学化学系传授詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特（James Fraser Stoddart）、以及荷兰科学家伯纳德·L·费林加（Bernard L. Feringa）传授, 那让该范畴迎来了快速开展。
随后，人们合成了由化学能或光辐射驱动分子马达，包罗基于轮烷的线性马达和基于索烃的扭转马达。
此中，轮烷（Rotaxane）是一类由环状分子套在一个哑铃状的线型分子上构成的内锁型超分子系统；索烃（Catenane）是包罗两个或两个以上互锁的大环分子。
轮烷和索烃都属于机械互锁构造的分子，除非环分子内部的共价键断裂，不然互锁的构造不克不及够分隔。
（来源：材料图）
固然目前已经呈现少数单分子电动马达的例子，但是无一破例都需要高实空和复杂的设置才气运行，好比需要用到扫描隧道显微镜，并利用原子大小的探针针尖在超高实空下操做。
诺奖得主团队最新功效，让分子马达范畴迎来严重打破
在司徒塔特团队的一项近期工做中，他和合做者们初次在常规前提下实正实现了能够运行、且易于造备的电动分子马达。
来自中国的张龙担任本次论文的第一做者，其本科和博士别离结业于华中科技大学和复旦大学，目前在司徒塔特课题组做博后研究。
图 | 张龙（来源：张龙）
张龙暗示，那款电动分子马达基于索烃的构造 [1]，由两个不异的小环与一个大环互锁而成，类似两个钥匙套在钥匙圈上。三个环都具有氧化复原活性，能够通过氧化复原来调控分子部件之间的彼此感化。
在大环上，通过火子构造设想，该团队接纳类似棘轮的设想——也能够称之为能量棘轮，实现了电化学控造的单向运动。
图 | 分子马达的设想：氧化态与复原态构造（来源：Nature）
需要留意的是，关于整个分子马达的运转来说，两个小环间的彼此感化尤为关键，类似齿轮传动一样缺一不成。
未来，若是能将多个电动分子马达毗连到电极外表，则能加强电极外表的一些性能（好比外表自清洁），并且还能对外做功。
归纳综合来说，电力驱动为分子马达供给了一种非侵入性、可反复并且清洁的运行体例。那种人工分子机器，为诱人的、构造和功用极其复杂的生物学分子机器供给了在阐发上易于处置的最小模子。
那将为人类开拓完全差别于任何现有人造手艺的新手艺，那是一种操纵外部能源驱动的人造非平衡动态分子系统。能够说，该研究代表了分子马达范畴的严重打破，并将分子纳米手艺提拔到另一个条理，为构建更复杂的电动分子机器奠基了根底。
那一发现不只加深了人类关于生物分子马达的理解，有望助力于合胜利能上更多样的分子机器，它们可能会帮忙科学家合成目前无法造造的新分子。在医疗和纳米质料范畴也具备潜在应用才能，好比将可控药物输送到自清洁质料等。
近日，相关论文以《电动分子马达》（An electric molecular motor）为题颁发在 Nature[1]。
图 | 相关论文（来源：Nature）
张龙是第一做者兼配合通信做者，美国缅因大学物理与天文学系传授 R. 迪恩·阿斯特米安（R. Dean Astumian）、加州理工学院质料与工艺模仿中心威廉 A. 戈达德三世（William A. Goddard III）传授、美国西北大学化学系传授詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特（James Fraser Stoddart）担任配合通信做者。
张龙暗示：“与宏不雅世界的电动马达比拟，我们的电动分子马达在速度和主动化方面还有很长的路要走。正如合做者 Astumian 传授所说，开发合成分子机器的范畴‘仍处于起步阶段’，但若是尝试化学家、理论化学物理学家和计算化学家继续合做停止此类研究，那么‘将来将是光亮的’。”
“虽然那些分子机器的应用目前固然还很遥远，但想到从莱特兄弟飞翔者一号的初次飞翔到第一家贸易航空公司成立之间，也只要几十年的时间，所以将来谁晓得呢？”张龙继续说道。
用一扇门“翻开”另一扇门
2018 年，张龙定下了那一课题。其时，他正在操纵自在基配对的彼此感化，合成一些机械互锁构造的索烃、轮烷分子。在此之前，课题组设想并合成了一系列分子泵，那些分子泵能将分子环从溶液中单向地泵入线性的分子链中。
所以他想，若是能在本身合成的索烃里引入设想分子泵的能量棘轮要素 [1]，就能够得到一个持续单向运转的分子马达。
他说：“从设想到合成目的分子花了三个月，其时想着课题能够很快完成了。但是，后续表征碰到了些困难，不外都逐个克制了。”
几个重要的尝试别离是：1. 获取分子的单晶构造；2. 操纵同位素氘代尝试证明单向运动；3. 察看到马达运转过程中的一个半稳态中间体。
图 | 课题时间线（来源：材料图）
2019 岁尾，张龙完成了论文初稿，但在论文修改时，新冠疫情发作招致校园和尝试室均被封闭。
那段时间，为了愈加深切地领会马达的运行机理，张龙联络了国际出名计算化学家、加州理工学院质料与工艺模仿中心的 William A. Goddard 传授，以便从量子力学计算的角度来阐明尝试现象。
然而，因为索烃分子系统的复杂性，他们耗时一年多才完成量子力学计算。
张龙暗示：“此中有一年多，几乎每周的礼拜天早上，WeiGuang Liu 博士、Goddard 传授、Astumian 传授以及 Stoddart 传授和我，都在开 Zoom 会议来讨论计算。”那些勤奋也最末换来了审稿人关于论文的必定。
图 | 量子计算讨论会（来源：材料图）
研究过程中，还一个重要的发现是接纳一种名为二茂钴的化合物来取代锌粉做为复原剂。
之前，课题组在分子泵项目里都是接纳锌粉做为复原剂，因为操做简双方便，只需过量参加然后过滤即可；假设利用二茂钴，则需要定量参加，并且二茂钴对空气十分敏感，需要严酷氮气庇护。
但是，张龙发如今那个项目中锌粉其实不适用，后面改用二茂钴做为复原剂后，胜利得到了最末产品。别的一个重要发现则是，用二茂钴做复原剂可大大提拔分子泵的效率。
那一发现不只给该团队针对分子泵的其他研究带来了帮忙，也引出了他们关于“电子催化”的思虑和摸索 [2]。那申明，当你做 A 研究的时候，也答应以同时翻开 B 研究的大门。
图 | 分子马达运起色理（来源：Nature）
而在测定分子马达的单向性尝试中，分子马达运起色理是每轮氧化轮回后两个小环绕大环扭转 180° 交换位置，因为两个小环是不异构造，那就招致每次轮回后无法分辩有没有发作位置交换。
其时，张龙不断测验考试用一个构造差别的小环来取代此中之一，但都没有胜利。还有一种办法是利用同位素标识表记标帜化合物，他之前不断觉得比力高贵，也不便利造备。
后来，同事提醒他能够再尝尝那个办法，再次查询后发现能够用易得的氘代试剂（氘代对二甲苯）为原料来合成小环，一下就解开了之前的难题。
目前，固然那款分子马达实现了单向运动，但现实上并没有做出有用功，如今只是操纵电能克制溶液，对索烃分子内部做出单向运动的阻力。为领会决那一局限性，课题组后续筹算将电动分子马达毗连到外表。
“我们只要对两个小环此中之一停止革新，使小环可以锚定到物体外表，好比电极外表。如许能够使分子马达更高效地运转，并且其单向运动能够影响电极外表的性量，从而实现对外做功。”张龙说。目前，他正在推进上述研究方案。
参考材料：
1.Zhang, L., Qiu, Y., Liu, W.-G. et al. An electric molecular motor. Nature 613, 280–286 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05421-6
2.Jiao, Y., Qiu, Y., Zhang, L. et al. Electron-catalysed molecular recognition. Nature 603, 265–270 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04377-3
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