分子机器能做什么？

自去年诺贝尔化学奖公布之后，很多人都有过疑问，分子机器到底能做什么？不可否认，在目前看来小小的分子机器还没有广泛的应用，不过这也正是大部分从事分子机器的科学家想要探索解决和回答的问题。目前在该领域的亟待解决的一个挑战是设计能够持续对外界做有用功的系统，将分子层面的机械运动转化为宏观层面的运动，从而真正实现宏观机器可以实现的各种功能。X-MOL之前报道过美国达特茅斯学院柯晨峰博士将分子机器运用到3D打印材料中，实现了微观运动带动宏观运动（点击阅读详细），就是一个很好的例子。

去年诺奖得主之一Feringa教授的分子马达被认为很有希望将分子层面的微观运动转化为宏观运动，不过，这种单向旋转的设计也存在局限——逆向旋转很困难，通常需要在分子结构上进行很多修饰。近日，法国斯特拉斯堡大学的Nicolas Giuseppone教授等人在Nature Nanotechnology 发表了最新成果，他们将分子马达和分子调节器（modulator）结合起来运用到高分子材料中，通过光照控制这两个功能器件的打开和关闭，在宏观上的效果就是材料的收缩和舒展。

图1. 分子马达和分子调节器的示意图与结构式。图片来源：Nature Nanotech.

上图所示为分子马达和分子调节器的结构（图1c），分子马达部分基于Feringa教授之前的工作，在其中接上高分子链，紫外光照射使其单向旋转，而可见光使其旋转停止。如果只有分子马达，只会导致材料越缩越小（图1a）。这里引入的分子调节器在紫外光照射下不能转动，而在可见光照射下则开始转动，这样就能够释放分子马达旋转带来的张力，使得材料既能在紫外光照射下收缩，又能在可见光照射下舒展开来（图1b）。

首先，作者先对这种分子调节器的模型进行了探究（图2），其中1由八步合成所得，这种打开的形式在乙腈中以两种状态存在（平行P和反平行AP），紫外光照射可使其切换到闭环状态，而可见光照射又使其回到打开的状态。

图2. a) 分子调节器1打开和闭合的状态切换过程；b) 1打开状态的晶体结构；c) 1在溶液里的紫外可见吸收光谱，其中530 nm处的吸收是闭合状态调节器形成的特征峰并且溶液会从黄色变为紫色。图片来源：Nature Nanotech.

接着，文中研究了五种含有不同比例分子调节器和分子马达的材料。分子调节器含量越多，在紫外光照下收缩越慢，在可见光中越易恢复原有的体积。并且，在紫外和可见光的混合照射下，可以实现材料体积的调节。

图3. a) 五种材料中分子调节器2以及分子马达3和4的不同比例；b,c) 五种材料在紫外和可见光照射下体积的变化；d)材料Gel50在可见和紫外混合照射下的体积调节。图片来源：Nature Nanotech.

图4. Gel25材料的伸缩实验。a) 原始大小；b) 紫外光照射3 h；c) 随后白光照射48 h。图片来源：Nature Nanotech.

柯晨峰博士在评论该成果时将这一系统比作机械表，^[1] 材料收缩类似机械表上发条储存能量的过程，而发条的释放可以将能量转化为齿轮等其他部分的转动，相对应地便是材料的舒展。

图5. 机械表内部结构简化示意图。图片来源：Nature Nanotech.

这或许是“分子机器能做什么？”这个问题的一种答案。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Dual-light control of nanomachines that integrate motor and modulator subunits

Nature Nanotech., 2017, 12, 540-545, DOI: 10.1038/nnano.2017.28

参考资料：

1. https://www.nature.com/nnano/journal/v12/n6/full/nnano.2017.44.html

（本文由PhillyEM供稿）

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