在奧地利格拉茨大學的一間地下室裡，堆放著一堆鋼罐和結滿冰霜的管道。這個裝置，一臺掃描隧道顯微鏡，可以拍攝單個原子和分子的照片。它非常靈敏，以至於在晚上工作效果最佳，那時沒有人走動、說話或以其他方式震動建築物。
機器旁邊的電腦顯示器顯示了排列在銅表面上的微小心形斑點的影像。“心形”是單個分子：準確地說是二甲苯基-ATI分子。今年早些時候，顯微鏡實驗室的化學家 Grant Simpson 一直在擺弄它們，希望它們可以像微小的機械開關一樣工作。
但他發現的東西卻更加有趣。當用帶電的顯微鏡尖端激發時，分子會跳躍——但它們不是隨意亂跳。“不知何故，”辛普森說，“我慢慢意識到，它們只朝一個方向移動。”
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
這種跳躍的心形分子是一種全新的分子奈米馬達——一種微型機器，它消耗能量來有目的地對抗熵潮，熵潮不斷地將微觀世界拉入隨機、無用的運動中。一些人造奈米馬達可以原地旋轉，但很少有奈米馬達能夠可靠地從 A 點移動到 B 點。最近在Nature雜誌上描述的這種新型馬達的機械魔力，來自於分子與其移動的銅表面之間的相互作用——就像火車頭的部分部件既在車廂內又嵌入在軌道中一樣。
這是朝著以自然的方式構建事物（自下而上，逐個原子）的奈米技術夢想邁出的一小步但意義重大的一步。“如果我們製造一把椅子，我們會砍倒一棵樹，”辛普森在格拉茨大學的同事、物理學家萊昂哈德·格里爾說。“大自然的做法卻恰恰相反。大自然生長樹木。” 開發微型機器的研究人員設想使用它們來創造新型材料，為工業催化增壓，並像真正的酶一樣靈活地操縱生物組織。
曼徹斯特大學的化學家大衛·李（David Leigh）說：“小型化始終推動著技術的進步。” 但他解釋說，奈米技術的問題在於，“宏觀世界”中熟悉的力學原理根本不適用於分子層面。在如此微小的尺度上，隨機性起主導作用。如果溫度、能量和壓力等特性保持穩定，那麼小規模過程（包括化學反應或粒子運動）在每個方向上發生的可能性都相同。在奈米尺度上從 A 移動到 B 就像擲骰子，並根據結果向前、向後或側向邁步。“你不能在奈米技術中使用牛頓力學，”李說。“這基本上排除了我們在過去 5000 年文明中建立起來的所有工程工藝。”
那麼，為什麼科學家認為應該有可能開發奈米級機械呢？李說，答案是已經有一個成熟且有效的例子，那就是“生物學”。細菌鞭毛的複雜天然酶，動物肌肉的抽搐以及細胞線粒體中化學能量的合成，都是分子機器。
1999 年，科學家合成了第一個真正的分子奈米馬達，一種光碟機動旋轉馬達，後來獲得了諾貝爾化學獎的認可。從那時起，科學家們開發了更多不同型別的具有不同功能的馬達。格羅寧根大學的化學家 Nathalie Katsonis 和她的同事最近將數萬億個奈米轉子粘合在一起並同步它們，以物理方式移動宏觀聚合物。李和他的同事們開發了旋轉奈米馬達，與生物酶一樣，它們透過利用馬達本身催化的化學反應中的能量來運動。
但旋轉馬達原地旋轉；像軌道上的火車一樣直線運動的分子馬達已被證明更難構建。一些研究人員合成了環形分子，這些分子可以旋轉並沿著啞鈴形支架滑動。還有 DNA“步行者”，它們有腿，透過邁步來移動，就像一些生物馬達蛋白一樣。但 DNA 步行者相對笨重（並非嚴格意義上的“奈米”，李說），並且只能沿著預製的核酸軌道邁出幾步。然而，新型心形馬達只有幾個奈米寬，只要表面不中斷，它就會沿著銅原子軌道不斷跳躍。
辛普森和格里爾主要是在偶然情況下發現了這種馬達——格里爾說，這是“純粹的意外發現”。科學家最初對二甲苯基-ATI 分子如何在其兩個氮原子之間來回拋擲其氫原子感到好奇，科學家認為這種行為可以使其用作奈米級開關。經過多年的工作，辛普森嘗試將分子沉積在一種特殊的銅表面上，其中原子排列成線性行。令他驚訝的是，一股電流脈衝使心形分子沿著銅軌道跳躍。然後，研究人員證實，分子僅在一個方向上移動，甚至可以像奈米級推土機一樣推動其他粒子。
Katsonis 說，這種新型馬達是一種“能量棘輪”，她沒有參與這項研究。它利用能量（此處為電流脈衝）在兩種狀態之間切換，每種狀態都具有一組不同的能量可能性。衝擊分子使其猛然躍入更激發的狀態，在這種狀態下，沿著銅軌向前移動是有利的。當分子回落到其原始的、未激發的狀態時，它會沿著軌道向前跳躍一步。
Katsonis 說：“在我看來，它有趣有兩個原因。” 首先，分子與比自身更大的東西相互作用，在這種情況下是一個表面。其次，它們沿著原子軌道直線運動——她說，這是掌握奈米尺度定向運動的關鍵。畢竟，生物學的許多線性分子馬達通常沿著支架 strut 以朝正確的方向行進。
李說：“這真的很好，因為它只是在一個非常簡約的系統中進行一維、定向的運動。” 新型能量棘輪可能不會很快推動奈米機器人或逐個原子地組裝一棵樹。但它可以很容易地用掃描隧道顯微鏡進行研究，使其成為未來能量棘輪、軌道和定向運動實驗的完美測試系統——Katsonis 和 Leigh 說，這是朝著正確方向邁出的一大步。