為應對氣候變化, 作為清潔能源的電能正在諸多應用場景中逐步取代化石燃料。而作為內燃機的競爭對手，電動馬達也在迅速奪取市場份額。
大約在 200 年前，物理學家將這種既安靜又環保的機器——電動機帶入了人類世界。如今，大街小巷上遍地都是電動馬達驅動的電動汽車。
那麼，能否把宏觀世界的馬達縮小成比頭髮萬分之一還小的納米馬達呢？1959 年，美國物理學家理察·費曼（Richard Feynman）曾懸賞 1000 美元，獎勵給第一個製造出直徑小於 1/64 英寸（0.4 毫米）的馬達的人。
沒想到僅僅過了一年，電氣工程師兼業餘制表師威廉·麥克萊倫 (William McLellan) 就製作出世界上最小的馬達，重量只有 200 微克，尺寸達到了費曼的要求，也贏得了獎金。
但是，麥克萊倫使用是當時已有的機械工程技術，而非新的納米技術。
要知道，微觀世界有著與宏觀世界不同的物理規則。在這個肉眼看不見的世界裡，充滿著無規則的布朗運動。由於是無規則的，因此在分子尺度上實現可控單向運動面臨著重重困難。
值得慶幸的是在過去幾十年裡，經過科學家們的不斷努力，學界在這一領域取得了諸多進展，比如分子穿梭機、分子馬達等。作為分子機器，它們能在納米世界裡將外部能量轉化為定向運動。
鑑於此，2016 年，諾貝爾化學獎頒給了研究分子機器的三位科學家：分別是法國科學家讓-皮埃爾·索維奇（Jean-Pierre Sauvage）教授、美國西北大學化學系教授詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特（James Fraser Stoddart）、以及荷蘭科學家伯納德·L·費林加（Bernard L. Feringa）教授, 這讓該領域迎來了快速發展。
隨後，人們合成了由化學能或光輻射驅動分子馬達，包括基於輪烷的線性馬達和基於索烴的旋轉馬達。
其中，輪烷（Rotaxane）是一類由環狀分子套在一個啞鈴狀的線型分子上形成的內鎖型超分子體系；索烴（Catenane）是包含兩個或兩個以上互鎖的大環分子。
輪烷和索烴都屬於機械互鎖結構的分子，除非環分子內部的共價鍵斷裂，否則互鎖的結構不能夠分開。
雖然目前已經出現少數單分子電動馬達的例子，但是無一例外都需要高真空和複雜的設置才能運行，比如需要用到掃描隧道顯微鏡，並使用原子大小的探針針尖在超高真空下操作。
諾獎得主團隊最新成果，讓分子馬達領域迎來重大突破
在司徒塔特團隊的一項近期工作中，他和合作者們首次在常規條件下真正實現了可以運行、且易於製備的電動分子馬達。
來自中國的張龍擔任本次論文的第一作者，其本科和博士分別畢業於華中科技大學和復旦大學，目前在司徒塔特課題組做博後研究。
張龍表示，這款電動分子馬達基於索烴的結構 [1]，由兩個相同的小環與一個大環互鎖而成，類似兩個鑰匙套在鑰匙圈上。三個環都具有氧化還原活性，可以通過氧化還原來調控分子部件之間的相互作用。
在大環上，通過分子結構設計，該團隊採用類似棘輪的設計——也可以稱之為能量棘輪，實現了電化學控制的單向運動。
需要注意的是，對於整個分子馬達的運轉來說，兩個小環間的相互作用尤為關鍵，類似齒輪傳動一樣缺一不可。
將來，如果能將多個電動分子馬達連接到電極表面，則能增強電極表面的一些性能（比如表面自清潔），而且還能對外做功。
概括來說，電力驅動為分子馬達提供了一種非侵入性、可重複而且清潔的運行方式。這種人工分子機器，為迷人的、結構和功能極其複雜的生物學分子機器提供了在分析上易於處理的最小模型。
這將為人類開闢完全不同於任何現有人造技術的新技術，這是一種利用外部能源驅動的人造非平衡動態分子系統。可以說，該研究代表了分子馬達領域的重大突破，並將分子納米技術提升到另一個層次，為構建更複雜的電動分子機器奠定了基礎。
這一發現不僅加深了人類對於生物分子馬達的理解，有望助力於合成功能上更多樣的分子機器，它們可能會幫助科學家合成目前無法製造的新分子。在醫療和納米材料領域也具備潛在應用能力，比如將可控藥物輸送到自清潔材料等。
近日，相關論文以《電動分子馬達》（An electric molecular motor）為題發表在 Nature[1]。
張龍是第一作者兼共同通訊作者，美國緬因大學物理與天文學系教授 R. 迪恩·阿斯特米安（R. Dean Astumian）、加州理工學院材料與工藝模擬中心威廉 A. 戈達德三世（William A. Goddard III）教授、美國西北大學化學系教授詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特（James Fraser Stoddart）擔任共同通訊作者。
張龍表示：「與宏觀世界的電動馬達相比，我們的電動分子馬達在速度和自動化方面還有很長的路要走。正如合作者 Astumian 教授所說，開發合成分子機器的領域『仍處於起步階段』，但如果實驗化學家、理論化學物理學家和計算化學家繼續合作進行此類研究，那麼『未來將是光明的』。」
「儘管這些分子機器的應用目前雖然還很遙遠，但想到從萊特兄弟飛行者一號的首次飛行到第一家商業航空公司成立之間，也只有幾十年的時間，所以未來誰知道呢？」張龍繼續說道。
用一扇門「打開」另一扇門
2018 年，張龍定下了這一課題。當時，他正在利用自由基配對的相互作用，合成一些機械互鎖結構的索烴、輪烷分子。在此之前，課題組設計併合成了一系列分子泵，這些分子泵能將分子環從溶液中單向地泵入線性的分子鏈中。
所以他想，如果能在自己合成的索烴里引入設計分子泵的能量棘輪要素 [1]，就可以得到一個連續單向運轉的分子馬達。
他說：「從設計到合成目標分子花了三個月，當時想著課題可以很快完成了。但是，後續表徵遇到了些困難，不過都一一克服了。」
幾個重要的實驗分別是：1. 獲取分子的單晶結構；2. 利用同位素氘代實驗證實單向運動；3. 觀察到馬達運轉過程中的一個半穩態中間體。
2019 年底，張龍完成了論文初稿，但在論文修改時，新冠疫情爆發導致校園和實驗室均被關閉。
這段時間，為了更加深入地了解馬達的運行機理，張龍聯繫了國際知名計算化學家、加州理工學院材料與工藝模擬中心的 William A. Goddard 教授，以便從量子力學計算的角度來闡明實驗現象。
然而，由於索烴分子體系的複雜性，他們耗時一年多才完成量子力學計算。
張龍表示：「其中有一年多，幾乎每周的星期天早上，WeiGuang Liu 博士、Goddard 教授、Astumian 教授以及 Stoddart 教授和我，都在開 Zoom 會議來討論計算。」這些努力也最終換來了審稿人對於論文的肯定。
研究過程中，還一個重要的發現是採用一種名為二茂鈷的化合物來代替鋅粉作為還原劑。
之前，課題組在分子泵項目里都是採用鋅粉作為還原劑，因為操作簡單方便，只需過量加入然後過濾即可；假如使用二茂鈷，則需要定量加入，而且二茂鈷對空氣非常敏感，需要嚴格氮氣保護。
但是，張龍發現在這個項目中鋅粉並不適用，後面改用二茂鈷作為還原劑後，成功得到了最終產物。另外一個重要發現則是，用二茂鈷作還原劑可大大提升分子泵的效率。
這一發現不僅給該團隊針對分子泵的其他研究帶來了幫助，也引出了他們對於「電子催化」的思考和探索 [2]。這說明，當你做 A 研究的時候，也許可以同時打開 B 研究的大門。
而在測定分子馬達的單向性實驗中，分子馬達運轉機理是每輪氧化循環後兩個小環繞大環旋轉 180° 交換位置，由於兩個小環是相同結構，這就導致每次循環後無法分辨有沒有發生位置交換。
當時，張龍一直嘗試用一個結構不同的小環來代替其中之一，但都沒有成功。還有一種方法是使用同位素標記化合物，他之前一直覺得比較昂貴，也不方便製備。
後來，同事提醒他可以再試試這個方法，再次查詢後發現可以用易得的氘代試劑（氘代對二甲苯）為原料來合成小環，一下就解開了之前的難題。
目前，雖然這款分子馬達實現了單向運動，但實際上並沒有做出有用功，現在只是利用電能克服溶液，對索烴分子內部做出單向運動的阻力。為了解決這一局限性，課題組後續打算將電動分子馬達連接到表面。
「我們只要對兩個小環其中之一進行改造，使小環能夠錨定到物體表面，比如電極表面。這樣可以使分子馬達更高效地運轉，而且其單向運動可以影響電極表面的性質，從而實現對外做功。」張龍說。目前，他正在推進上述研究計劃。
參考資料：
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