现在在分子尺度上电动机

由宏观电动机驱动的电动汽车在我们的街道和高速公路上越来越普遍。这些安静且环保的机器在近200年前问世，当时物理学家迈出了第一步，将电动机带入了这个世界。

现在，由西北大学领导的一个多学科团队制造了一种肉眼看不到的电动机：分子尺度的电动机。

这项早期工作——一种可以在分子水平上将电能转化为单向运动的马达——对材料科学尤其是医学具有重要意义，在医学领域，电动分子马达可以与人体中的生物分子马达结合使用。

“我们已经将分子纳米技术提升到了另一个层次，”西北大学的弗雷泽斯托达特爵士说，他因在分子机器的设计和合成方面的工作而获得2016年诺贝尔化学奖。“这种优雅的化学利用电子有效地驱动分子马达，就像宏观马达一样。虽然这个化学领域还处于起步阶段，但我预测有一天这些微型马达将在医学上产生巨大的变化。”

温伯格艺术与科学学院董事会化学教授斯托达特是该研究的共同通讯作者。该研究是与分子机器理论家兼缅因大学教授迪安·阿斯图米安和加州理工学院计算化学家兼教授威廉·戈达德密切合作完成的。Stoddart实验室博士后张龙是该论文的第一作者和共同通讯作者。

这种分子马达只有2纳米宽，是第一个大量生产的分子马达。该电机制作简单，运转迅速，不产生任何废品。

该研究和相应的新闻简报今天(1月11日)由《自然》杂志发表。

研究小组专注于一种特定类型的分子，这种分子具有称为链烷的互锁环，通过强大的机械键结合在一起，因此组件可以相对于彼此自由移动而不会分开。(几十年前，斯托达特在机械键的创造中发挥了关键作用，机械键是一种导致分子机器发展的新型化学键。)

电动分子马达具体基于[3]链烷，其成分——与两个相同环互锁的环——具有氧化还原活性，即它们响应电压电势的变化进行单向运动。研究人员发现需要两个环才能实现这种单向运动。实验表明，具有一个环与一个环互锁的[2]链烷不能作为发动机运行。

执行马达功能的分子的合成和操作——将外部能量转化为定向运动——一段时间以来一直在挑战化学、物理学和分子纳米技术领域的科学家。

为了实现他们的突破，Stoddart、Zhang和他们的西北大学团队花了四年多的时间来设计和合成他们的电动分子马达。这包括与UMaine的Astumian和加州理工学院的Goddard合作一年，完成量子力学计算以解释电机背后的工作机制。

“在分子尺度上控制成分的相对运动是一项艰巨的挑战，因此合作至关重要，”张说。“与合成、测量、计算化学和理论方面的专家合作，使我们能够开发出一种在溶液中工作的电动分子马达。”

已经报道了一些单分子电动机的例子，但它们需要苛刻的操作条件，例如使用超高真空，并且还会产生废物。

研究人员说，他们的电动分子马达的下一步是将许多马达连接到电极表面以影响表面并最终做一些有用的工作。

“我们今天报告的成就证明了我们年轻科学家的创造力和生产力以及他们承担风险的意愿，”斯托达特说。“这项工作给了我和团队极大的满足感。”