华东理工大学化学与分子工程学院费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心 张琦 教授

生物体内与生俱来存在着各种各样的“生物机器”，例如DNA、RNA、马达蛋白，它们自发有序地履行自己的工作，时刻承担着执行生物体复杂功能的任务。那么，人类是否可以通过人工合成的方法制造出分子级别的机器，来模仿宏观世界的以及生物体中与生俱来的机器，并且操控它们？科学家的好奇心和想象力总是带有浓厚的科幻色彩，也正因如此，科学工作者才有了接力努力的方向。

随着越来越多的化学家关注并钻研这些机械一样的分子构筑及其刺激响应性的精确调控，分子机器发展至今已有诸多成果。科学家们形成共识：基础探索已初见端倪，它是面向未来智能应用的仿生可做功型软物质材料。

分子机器的起源：有结构，还能动

人类能否在微观世界也能像宏观世界一样操纵这些纳米级别的分子机器？这些纳米分子机器能否为生物分子机器的执行方式提供重要借鉴和理解，从而取代生物分子机器去执行生物体内的复杂生物行为？带着这些看似具有浓厚科幻色彩的大胆设想和疑问，1965年诺贝尔物理学奖得主，美国物理学家理查德·费曼在1959年发表了一场名为“底层还有大空间”的著名演讲，提出了从分子原子尺度构建微型机器的可能。

然而，在那个时代，化学家还没有掌握足够的合成技术和分析手段来创造人工分子机器。后来，随着合成化学和超分子化学两大基础化学领域的迅速发展，构建人工分子机器才逐渐有了可靠的合成模板和策略。有意思的是，2016年诺贝尔化学奖颁给三位科学家时，分子机器仍然处于概念验证阶段。

索瓦日和斯托达特研发了“机械互锁型分子机器”通过机械键键连分子，形成“环套环”的索烃和“环套哑铃”的轮烷两种互锁结构，再逐步让它们动起来并具备功能的分子机器。而费林加的灵感则来自“光响应”，他精巧地设计了一个具有马达功能的分子，经紫外光激发完成持续的单向圆周旋转。后来他实现了微观分子机器驱动宏观物体做机械功，甚至利用马达分子作为驱动单元构建了一部完全人工合成的分子车，还能让它在金表面精确制导运动。

超分子机器:从微观到宏观

我们很高兴地看到，自分子机器领域的科学家获得诺贝尔化学奖以后，更多国内外学者加入这一领域的研究中，在分子机器相关的基础和应用研究方面取得了诸多进展。目前，国际上人工分子机器的研究主流仍然是新机器基元的创制及其在分子科学以及纳米科学上的应用，比如分子泵、分子行走器、分子合成器、分子纳米车、分子跨膜通道等。这些研究的基本逻辑和原理是基于单个离散型分子机器基元的功能应用，是回答费曼“底层还有大空间”著名论述的典型例子，也展示了分子机器在纳米科学方面有着巨大的研究空间和广阔的前景。

然而，还记得最初的动机吗？人工分子机器的合成是为了模拟并理解生物分子机器。可基于单个复杂结构小分子的立体化学构象调控从本质上制约了其仿生的模式发展，目前的人工分子机器结构和功能仍然难以比拟生物分子机器的复杂性。于是一个重要思路萌生了——颠覆现有人工小分子机器的结构原型，进一步融合化学、超分子化学、高分子化学、动态共价化学等，设计结构简单、序列可控、组装可控、功能特异的“超分子机器”，构筑像生物分子机器一样的可做功的智能软物质材料。

近年来国内外科研团队在这一领域有许多亮眼成果，比如超分子肌肉。在索瓦日教授的研究成果上，学者们将该分子模型进行功能化和线性放大，得到高分子量的分子肌肉并能够实现宏观材料的可逆致动，其中也有我们华理团队的工作。除了机械互锁型分子肌肉外，还有一类基于超分子组装得到的响应型软材也可以作为超分子肌肉的雏形，比如费林加等人实现的肌肉束材料含水量高达95%，且能够在紫外光照射下发生趋光形变，实现光能向机械能的转化。还有较新的响应型柔性晶体材料也可作为超分子肌肉的雏形，通过对小尺寸纳米线晶体持续施加光照，晶体可以在液体环境中像细菌鞭毛一样发生持续的扰动和游泳，展现出了“非平衡”超分子肌肉的雏形和发展前景。

超分子液晶弹性体也是一类基于液晶小分子超分子组装、刺激响应的弹性体材料，相比于各向同性的分子肌肉凝胶网络，超分子液晶弹性体材料展现出了更加灵敏、高效的致动行为。智能软体机器人、液晶致动器、可编程形变材料等尖端技术的迸发进一步刺激了科技界对这一动态化学材料的研究兴趣。液晶材料也正在成为人工分子机器实现动态功能放大的重要载体。目前已有团队实现了光控的液滴游泳、液滴旋转等极其有趣的动态功能；将分子马达掺杂到液晶弹性体网络中，实现了光-机械响应的可逆致动行为；利用光驱动分子马达的本征手性和胆甾相液晶的不对称性放大效应，实现了对弹性体薄膜光致动行为的宏观螺旋性调控。除了分子尺度的创新外，有团队开发光控流体运输液晶弹性体材料，实现宏观尺度上像机器一样定向运输液体，即做功超分子机器；还有一系列非平衡持续振动的偶氮苯类液晶弹性体材料可以调控出持续光照下的自发高频振动致动器，甚至可以通过入射角度的精细调控将光致弯曲形变行为进一步发展为光致波动形变行为，实现软体致动器的宏观爬行等复杂运动。

人们对化学家未来通过合成化学构筑出人造生命这一理想充满憧憬。我认为，分子机器未来的研究会逐渐从小分子向大分子以及大分子组装体的方向发展。机械互锁聚合物、液晶弹性体都已展现出区别于现有高分子材料的结构特征和功能优越性。人工分子机器的未来应该是开发具有多种物质基本形态、多尺度、多功能的仿生机器智能材料。我也想呼吁更多其他学科的科研工作者投入到这一领域的研究中，共同推进分子机器这一重要基础化学研究的多学科发展。