我们生活中充满着机器，机器接管世界的想法已不仅仅是小说中的内容，它已经发生了。目前的机器都是相对较大的，但许多科学家想要小得多的机器：用分子制造机器。微型机器可以改变从医学到材料科学的一切事物，分子过程在其中发挥着重要作用，然而在微观尺度上控制运动需要一些物理、化学知识。

机器基本上是任何将一些能量输入至少一个运动部件的设备，每个运动部件都有不同的功能。这些部分结合在一起产生有用的运动作为输出，这被称为做功。使机器更小有一些明显的优势，比如能够更轻松地运输它们使它们移动得更精确。1959年，物理学家理查德·费曼谈到了“在小范围内操纵和控制事物的问题”，其中的“小范围”就是由一个或几个分子组成的机器。

二十年后，纳米技术先驱埃里克·德雷克斯勒偶然发现了费曼关于机器讲座的抄本。他进一步发展了一些想法，并于1981年发表了一篇名为《分子工程》的论文。德雷克斯勒想象分子大小的机器可以在原子尺度上操纵化学过程的反应物，甚至可以从分子中构建新材料。这将是巨大的突破！想想过去几十年工程师如何设法缩小电子元件，将建筑物大小的计算机变成手机。缩小机械部件可以开启类似的革命，但建造纳米级机器所面临的挑战与之前所遇到的截然不同。

在分子尺度上，机器的行为不会像我们在日常规模上所习惯的那样，如果没有精心设计，分子的“螺母”和“螺栓”就无法轻易拧开。分子间存在着范德华力，它们吸引到一起的影响比摩擦对普通螺母和螺栓的影响要大得多。另一个问题是，让分子机器的组件按照你想要的方式移动会比较棘手，附近分子的热运动（噪声）也可能使组件随机移动。最后，大多数分子通过化学键连接在一起，有不同种类的化学键，它们往往都相当刚，不允许两个部件之间自由运动，而机器通常依赖部件之间的相对运动。

索烃

因此，要建造分子机器，工程师必须要弄清楚如何利用所谓的机械键。在机械键中，分子的形状将它们互锁在一起，互锁的两个分子之间没有共价键的结构，但只有破坏其中一个分子的共价键才能破坏分子间的机械键，使它们完全分离。早在1960年代，科学家就已经创造了这样的连接分子，它们被称为索烃。但它们很少见，而且很难生产用于科学研究，更不用说任何实用的东西了。

直到1983年，法国化学家让-皮埃尔·索瓦日有了一个意想不到的发现。索瓦日最初是在研究由紫外线驱动的化学反应，其中一个过程涉及将自身附着在铜离子的C形分子。在对反应进行建模时，他意识到通过调整方法，他可以从这些分子中产生比以往更多的索烃。

诀窍是让铜离子与环状分子的内部相结合，然后一个C形分子可以穿过环并附着在同一个铜离子上。在合适的环境中，另一个C形分子可以与第一个分子化学键合形成一个互锁环，最后再把铜离子弹出。这样我们就得到了一个机械键结构中的两个分子环。这些环可以相对于彼此自由旋转，就像机器一样。索瓦日甚至将这一过程扩展到制造打结的化学品和更复杂的链。

1994年，索瓦日团队找到了一种方法，使用带有夹层铜离子的索烃让一个环围绕另一个环转了起来。因为环并不均匀，如果离子的电荷发生了变化，它们会调整到更稳定的电学位置。因此，当该铜离子在化学反应中心被剥离电子时，其中一个环将旋转180度；如果铜离子重新捕获电子，它就会再扭转回来。如果我们想要制造带有旋转部件的分子机器，掌握这种运动真的很重要。

轮烷

大约在同一时间，英国化学家弗雷泽·斯托达特在不同的化学机制上取得了进展，他制造出了一种称为轮烷的分子机器。早在1991年，斯托达特团队就制造了一个缺少电子的几乎闭合的原子环。它们还制造了一个棒状分子，该分子具有两个富电子位点和庞大的硅基端盖。当把它们放在一起时，静电引力使环连接到棒上，在那里发生化学反应把环给关闭了。

虽然带正电荷的环被吸引到轴上带负电荷的位置，但它并没有通过化学键连接得更紧。此外，环还可以在轴上两个带负电荷的点之间跳跃，而庞大的硅基端盖则阻止它掉落出去。利用这种原理，他们制造了一种可以将自身抬高几纳米的分子电梯。

不断旋转

索瓦日的环可以响应输入而旋转，但不能像电机一样提供连续的、受控的输出。然而，在1999年，荷兰化学家伯纳德·费林加的团队实现了这一目标。他们开发了一种双面分子，其作用有点像电机叶片。正如我们前面所提到的，热噪声使得控制分子组件的移动方式变得棘手，但费林加的分子是基于两个甲基基团，这些甲基基团被设计成只能绕一个方向旋转。每次紫外光脉冲撞击其中一个甲基时，它都会吸收光并将其转化为动能，然后围绕轴旋转。