大自然在构建微型机器方面简直令人惊叹。这些机器在许多生命过程中发挥着重要的作用。例如，我们的眼睛中数百万个微型开关，使我们能够看到彼此；我们的细胞中也有微小的马达，负责泵送物质进出并产生能量。在荷兰的实验室里，我和我的学生们对制造受大自然启发的微小分子机器充满热情。我们成功开发了多种功能的分子开关和分子马达，更研制出了世界上首辆分子尺度的纳米汽车！这些分子机器可以用于改善人类健康、推动技术进步，并开创前所未有的新型功能材料。在这篇文章中，我将分享我们如何构建这些分子机器，并带你一窥它们如何改善我们的生活。
伯纳德·L·费林加与让-皮埃尔·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）和詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特（James Fraser Stoddart，参见文章：
纪念我的导师司徒塔特先生
）三位教授共同获得了2016年诺贝尔化学奖，以表彰他们在分子机器的设计与合成方面的贡献。
你可知道，每一刻，数不胜数的分子机器正在你体内悄然运转？这些机器赋予你运动、感知的能力，为细胞提供所需的能量。举例来说，在你的眼睛中，存在着数以百万计的微小分子开关，敏锐地感应光线。当光线照射到这些微型开关上时，它们便会被激活，向大脑发送电信号，使得我们能够看见彼此，看到周围的世界。
图1: 分子开关是一种微小的分子，能够在受到刺激时在不同状态之间切换。最简单的开关有两种状态：“开”和“关”，就像你家中的电灯开关一样。
从童年起，我就深受大自然之美的启发。我喜欢观察自然，从中汲取智慧，并运用这些知识创造新颖、有益的事物。大学期间，我非常幸运地在实验室里创造了我的第一个分子！得知自己创造了一个从未存在过的分子，那种兴奋和激动难以言表。我开始对利用化学知识创造分子产生兴趣，希望这些分子能够模仿自然界创造的生物机器。这引领我踏上了一段漫长的探索之旅，最终，我成功组装出了有史以来最小的汽车。
在荷兰的实验室里，我们构建微小的分子并研究它们的特性。这些分子的大小难以想象。如果你将两根手指尽可能地靠近，直到它们之间只能容下一丝光线，这就是1毫米的宽度。而我们构建的分子只有纳米（nm）大小，1纳米是你手指间缝隙的100万分之一！
构建分子有点像用乐高积木搭建一座美丽的城堡。我们以最小的分子为基础，通过化学反应移除或添加某些部分，然后利用其他反应将这些分子组合在一起，构建更大的分子。本质上，我们是在打破和创建构成分子的原子之间的键。通过“摆弄”这些分子积木，我们可以创造出前所未有的新分子。
我们合成分子通常是为了特定的用途，例如为汽车涂装设计漂亮的颜色，或为治疗疾病开发有效的药物。我们常借助计算机，帮助我们确定应该使用哪些原子和反应，以设计新分子。即使有计算机的辅助，预测新分子的特性仍然非常困难，许多分子常常不会完全符合我们想要的特性。有时这种“错误”实际上是一件好事，因为它可以帮助我们发现未曾预料到的特性。另外一些时候，我们必须不断调整分子的结构，直到最终创造出理想的特性。
制造出新分子后，我们会对它们进行测量，深入了解它们的行为，包括单独的分子，还有成群的分子
（想象一下，研究一勺糖和其中单个糖分子的行为）
。先进的实验室设备可以来帮助我们研究分子的结构和行为，包括一种非常强大的显微镜，称为扫描隧道显微镜（STM）。STM的针尖只有一个原子大小。你能想象吗？借助STM和其他先进设备，我们可以确定分子是否具有我们期望的三维形状，是否具备所需的特性
（例如，正确的颜色、硬度或粘性）
。虽然有时我们需要多次尝试，但最终会创造出合适的分子，拥有理想的特性。
我们实验室对能动的分子情有独钟，能动的分子就像身体中的分子机器一样。我们甚至尝试给那些通常静止的材料（如塑料和玻璃）制造“运动版”，让它们也动起来。想象一下，如果你们家卧室的窗户或汽车玻璃能够自我清洁，那该有多酷？一种简单的分子运动涉及在两种状态之间的切换，就像眼睛中的分子开关一样。为了创造这种运动，我们设计了一种分子，其上部可以通过光来进行“翻转”
[1]
。想象一下在“右手”和“左手”状态之间切换（图2）——一种颜色的光将“右手”状态切换到“左手”状态，另一种颜色的光将“左手”状态切换回“右手”状态。这种类型的分子可以用于计算机的数字信息存储
（正如你所知，信息有“1”和“0”两种状态。通常，1和0通过硅制成的晶体管组件中的不同电压来实现，使用具有两种状态的分子开关，也可以实现类似的“1”和“0”状态）
。
图2:合成分子开关。在实验室中，我们设计了像开关一样的分子。利用光，我们可以将这些分子从“右手状态”切换到“左手状态”，然后再切换回来。这种分子可以应用于多种技术，包括在计算机中存储数字信息。
一旦能够构建在两种状态之间移动的分子开关，我们希望进一步研究更复杂的运动，那便是旋转马达的舞步。旋转马达是一种机器，它通过某种燃料驱动，朝一个方向旋转，以此产生所期望的产物。在我们的细胞中，微小的旋转马达负责制造ATP，为细胞提供能量的分子。受这一自然旋转的马达的启发，我们尝试创造一种合成的旋转马达，它通过光
（来自灯或太阳）
驱动，不断朝一个方向连续旋转，就像奔跑的汽车轮胎。这项任务充满挑战，因为控制分子的运动方向很困难。如果不受控制，分子就会疯狂地四处奔走。因此，要让分子的运动连续、平稳，是一个巨大挑战。
为了实现这种运动，我们必须精确构建分子的三维结构。就像汽车中的马达一样，我们的分子马达也需要一根轴和围绕轴旋转的部分。经过多次试验和失败，我们成功构建出一个分子，它可以在每个步骤旋转90度，四步后完成360度旋转，
[2]（参见视频1）
。第一步和第三步需要光的帮助，光会破坏分子中的某个键，使旋转的部分能够围绕轴旋转。第二步和第四步自然发生，无需光照，分子自高能态“放松”到低能态。
视频1：分子旋转马达在接受光照之后可以完成360度旋转，因为光会破坏分子中的键。
我们最初的旋转马达分子，每小时旋转一次，还不到1纳米大小。通过改变其形状和键的特性，我们最终实现了每秒1000万次的旋转速度！在摆弄这些分子马达时，我的学生提出了一个具有挑战性的问题——能否将它们的旋转运动转化为前进的动力，就像汽车那样？
我对这个想法感到兴奋，告诉我的学生，我们应该构建一辆四轮驱动的纳米汽车
[3]。
四个分子马达将作为我们的四个轮子，我们想办法将它们连接到汽车的框架（也就是底盘）。为此，我们首先构建了一半底盘，并将两个轮子连接上去，然后构建了另一半底盘，连接上另外两个轮子。最后，我们将两半连接起来，得到了整辆汽车。最重要的是，我们必须确保“轮子”旋转的方向正确。经过这番努力，我们创造出了世界上最小的纳米车（
参见视频2）
！
视频2：世界上最小的纳米车
在解决了这个挑战后，我们创建了一条纳米汽车的生产线，可以用来制造各种尺寸和速度的纳米车。
既然我们有了分子开关、分子马达和分子汽车，我们能用它们做些什么呢？一般来说，分子机器让我们能够设计出一些材料，通过改变结构和功能，来应对某些刺激
[4]
。例如，自清洁或自修复材料，通过内部运动能清除灰尘或修复裂缝与其他损伤。想象一下，这些材料被用来制造一辆永远不需要清洗的车，还能自动修复车门上的划痕和擦伤！同样的能力在其他情况下也非常有用，例如自清洁的太阳能电池板，或自修复智能手机屏幕。
我们还可以使用响应性材料来改进药物，创造所谓的智能药物
[5]
。普通药物通常分布在全身并在各处起作用，与之不同的是，智能药物只在我们希望它们起作用的时间和地点才被激活。分子开关可以附着在药物上，这样我们只有在用光照射时才能“启动”药物。通过这种方法，我们可以避免药物在体内和环境中的不良反应。例如，具有这种特性的抗生素可以帮助避免耐药性的产生，而这是一个严重的问题。我们还可以设想微型的分子汽车在体内巡游，让身体保持健康，例如通过将特定药物运输到需要的特定区域（图3）。
图3：我们可以使用微型分子汽车来改善健康吗？未来，可能会有微型分子汽车在我们的身体中穿行，在身体内需要药物的特定位置释放药物。
当莱特兄弟在1903年进行他们的第一次历史性飞行时，我想没有人会预测到，仅仅100年后，数百万人穿梭于全球。尽管我们今天使用的飞机比莱特兄弟发明的第一架飞机复杂得多，但仍然基于相同的原理。
对于分子机器领域，我也抱有同样的愿景。未来，我们的早期构想将得到发展，应用于许多我们如今无法想象的技术。作为化学家，我们的一部分工作是发挥创意，构建我们自己的分子世界，发明新的事物。发现的过程通常充满挑战，因为我们正跋涉在未知的疆土。随着时间的推移，我领悟到即使科学进展艰难，也要保持信心，因为这份挣扎可能引领我们走向壮丽的成果。我知道你们每个人都有非凡的才能，希望你们能享受这份才华。追随你的梦想，相信自己能够实现。
我要感谢Or Raphael，他是本文的作者之一，他对我的采访也是本文的基础。感谢Alex Bernstein提供了图表。采访是在以色列科学与人文学院的协助下进行的。感谢该学院科学部门经理DYael Ben Haim博士的支持，他也邀请我到以色列访问。
伯纳德·L·费林加 （Ben L. Feringa）在荷兰格罗宁根大学完成了化学专业的本科和研究生学业。随后，他在同一所大学获得了博士学位，师从Hans Wynberg教授。1978年至1984年间，他曾在荷兰壳牌公司以及英国壳牌生物科学中心担任研究科学家。之后，他加入格罗宁根大学担任教职，目前领导着一个专注于动态分子系统的研究小组，研究方向包括分子开关、分子马达以及分子纳米车。在他的职业生涯中，费林加获得了众多奖项，包括Koerber欧洲科学奖（2003年）、荷兰最高科学奖Spinoza奖、Prelog金奖、美国化学会Norrish奖、英国皇家化学会有机立体化学奖、洪堡奖（2012年）、玛丽·居里奖章（2013年）、名古屋金奖（2013年）以及诺贝尔化学奖（2016年）。费林加与妻子贝蒂·费林加育有三个女儿，现居住在荷兰格罗宁根附近的一个村庄。
卡拉（CARLA），15岁
