研究人員展示了如何利用分子馬達來纏繞兩個分子，並形成一種傳統合成方法無法製造的連結。
要細數日常生活中的機器似乎是個不可能的任務。我們用機器來控制家中的空調、在不同地點間移動、加熱早晨的咖啡或茶水，以及處理其他許多事務。然而比較不廣為人知的一點是：我們每天早起泡咖啡的能力，實際上需要仰賴一種更微小的機制：分子機器，它們轉換能量並傳遞驅動我們身體的訊號。這些微小的生物機器啟發了人類將工程技術擴展到分子層級的研究。
「分子層級的法則明顯和巨觀層級非常不同。一切事物都持續在布朗運動的風暴中飛速移動——所有事物都在移動、振動和擺動，」柏林洪堡大學的麥可·卡坦（Michael Kathan）說道。在這個充滿熱運動噪訊的環境中，引導能量用來執行特定任務需要與巨觀世界不同的策略（參見 Dean Astumian 與 Peter Hänggi 撰寫的文章，《今日物理》，2002 年 11 月號，第 33 頁）。正如複雜機器的發展始於輪子和槓桿等簡單工具，製造分子尺度的機器也需要先建構基本元件。
初期的步驟之一便是合成機械互鎖分子。與共享價電子形成共價鍵的鍵結原子不同，機械互鎖分子是透過物理形狀連接在一起的，如圖 1 所示，這就是所謂的機械鍵。機械互鎖分子有幾種形狀，包括分子結、軸上的環，以及相互交織的環。就像巨觀的金屬鏈條一樣，相互連結的環狀分子（稱為交環烷，catenanes）可以結合強度與靈活度的優勢，並展現出其他突現性質。例如，交環烷的形狀靈活度可能讓它成為極具潛力的催化劑。機械互鎖分子之間可以相對移動，讓它們成為奈米尺度機器的實用建構元件。
圖 1：使機械互鎖分子（Mechanically interlocked molecules）互相連結的並非化學鍵結，而是其特殊的形狀，這使得它們在分子尺度工程中具有高度應用價值。環狀分子（由橙色和灰色圓圈表示）可以像鐵鍊一樣串接，形成所謂的交環烷（catenane）。數十年來，利用離子（如綠點所示的銅離子）將分子暫時固定在特定位置，已能有效地合成交環烷——此一過程被稱為模板合成 （templated synthesis） 。（插圖繪製：Freddie Pagani ）
分子機械工程的另一個重大進展是設計出能朝單一方向旋轉的分子馬達。第一批分子馬達的工作原理是利用形狀交互作用和能量吸收差異，驅動分子的兩側圍繞碳雙鍵軸心進行相對的圓周運動。由於創造了分子機器的基本組件——機械互鎖分子和分子馬達，尚皮耶·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）、J·弗雷澤·斯托達特（J. Fraser Stoddart）和伯納德·費林加（Bernard Feringa）被授予 2016 年諾貝爾化學獎（參見《今日物理》，2016 年 12 月號，第 18 頁）。
合成分子機器的能耐已在各種應用中獲得證實：例如將分子機器嵌入材料，使其能夠改變巨觀形狀、將液體推上斜坡、重現吊車和汽車等常見機械的運動行為，還能夠儲存資料。而今，柏林洪堡大學卡坦實驗室的湯米·瓦赫斯穆斯（Tommy Wachsmuth）及其研究團隊展示了如何利用分子馬達來建構交環烷[1]。這是一種能為其他分子機器建造潛在元件的分子機器。
「這是分子機器的運動與特定鍵結反應相互連結的首例。每一次的操作循環都會產生不同的產物，而不僅僅是在不同結果之間切換，」澳洲雪梨新南威爾斯大學的喬納森·比維斯（Jonathon Beves）表示。這項研究示範了一項關鍵技術，證明這類機器可以在分子尺度作機械功。分子馬達可以將分子扭曲成熱力學上不利但在動力學上穩定的形狀，而這些形狀是傳統化學反應無法製造的。利用分子機器創造新分子的做法為化學合成開啟了一個充滿可能性的新世界。
奈米世界的規則
化學家自 1950 和 1960 年代以來一直試圖製造交環烷。早期的嘗試發現了各種可行的作法，但產率極低，充其量只有百分之幾。在 1980 年代初期，索瓦日設計了一種更有效的方法。他利用銅離子作為模板，將環狀和新月形分子固定在一起。隨後的化學反應會封閉每個新月形分子以形成互鎖的環，中間夾著一個銅離子，如圖 1 所示。隨後可以再將銅離子移除。利用模板法，產率提高到了 42%。自那次突破以來，研究人員發現了其他可用於建造交環烷甚至更複雜互鎖結構的模板。
圖 2：一個分子馬達（圖中以藍色表示）可以將連接在其轉子上的兩條碳氫鏈互相纏繞（圖中以灰色和橙色表示）。在旋轉 360° 後，鏈條會產生兩次交叉。接著可以利用化學反應將其中一條鏈與自身連接（褐色線），以保留這種相互纏繞的狀態，隨後切斷該鏈與馬達之間的化學鍵將其釋放。成品就是一個機械互鎖分子——交環烷，這是僅使用傳統化學反應無法製造出來的。（圖表改編自參考文獻[1]。）
使用馬達將分子纏繞成互鎖環是一項全新的方法。卡坦團隊使用的分子馬達本質上與費林加在 1999 年製造的第一批馬達相同。該馬達由擁擠烯烴（overcrowded alkenes）組成——這是一種大型分子，分子中的兩組分支葉片以碳雙鍵相互連結。
這些葉片大到無法共處於同一個平面。用特定波長的光照射該分子會導致雙鍵翻轉，分子會呈現出張力較高的亞穩態結構。接著加入熱能便可提供足夠的能量進行所謂的熱螺旋反轉 （thermal helix inversion） ——分子會轉動至穩定的形狀。這兩個步驟會產生 180 度的轉動，如圖 2 所示。重複這些步驟可完成一圈完整的旋轉，回到原始形狀。
這種設計為研究人員鋪好了路：只要調整烯烴取代基並同時施加熱與光，就可以打造出恆定且快速旋轉的馬達。但是就纏繞分子以形成交環烷的任務而言，卡坦實驗室轉回使用第一代設計，因為其高活化能表示馬達的每半圈轉動都可以被精確控制。
研究團隊將碳氫鏈作為繫繩連接到馬達的轉子上，如圖 2 所示。在這種配置下，每次旋轉的功都被用於纏繞這些繫繩。其中一條鏈配備了末端烯烴基團（圖中以褐色標示），透過加入催化劑，這些基團可以透過共價鍵連接。最後，該繫繩與馬達剩餘的連接部分被化學裂解。產物是兩條互鎖的繫繩，其中一條仍附著在馬達上。
雖然 360 度轉動已足夠建造交環烷，但繫繩馬達最多可轉動 720 度以產生兩處交叉。不過產生這種雙重纏繞狀態的實驗並未成功，因為分子會自發地轉回 180 度，推測是因為繫繩中的應力所致。出乎意料的是，對纏繞了 540 度的繫繩進行共價捕捉，所產生的交環烷產率比僅轉動一圈的還要高：分別為 90% 與 82% 。但無論如何，這兩種產率都非常優秀。
向前邁進
基於模板的交環烷合成方法並不適用於所有分子。使用機器來互鎖分子的優勢之一在於它可以適用於那些不具備模板合成所需結合位點的分子。為了展示這種獨特能力，研究人員利用馬達從碳氫鏈建造出交環烷；由於官能基數量有限，這些碳氫鏈無法輕易以模板法處理。
該技術的一個缺點在於馬達會成為最終產物的一部分。與能夠產生數千種蛋白質的高效生物機器（如核糖體）不同，目前一台機器僅能產生一個產物。要將馬達從第二條繫繩中分離出來並不像切斷第一條繫繩所使用的捕捉與釋放技巧那麼簡單。如果研究人員使用完全相同的繫繩，分子的對稱性會降低過程的選擇性——分子系統的不對稱性為最終產物的形狀提供更多可控性。
「回收相當關鍵，因為馬達的製造不容易，」卡坦說。隨著概念驗證達標，卡坦實驗室已經在尋找分離並重複使用馬達的方法，同時保持對最終產物的控制能力。
然而，這類分子馬達和交環烷的確切應用方式仍有一段路要走。「在技術方面，我們距離現實應用還很遙遠，」伊利諾州艾文斯頓西北大學的埃馬努埃萊·佩諾基奧（Emanuele Penocchio）表示，「但我認為結果是令人期待的。」
關於新型分子機器的設計與使用的前景，佩諾基奧認為：與工業革命時期的巨觀科技發展不同，奈米工程的優勢在於研究人員知道什麼是可能的，因為他們「有生物學作為先例」（例如，參見 Mohammed Kaplan 撰寫的文章，《今日物理》，2024 年 3 月號，第 28 頁）。雖然並不特別常見，但蛋白質可以呈現出打結或索狀結構，從而展現特定且獨一無二的性質。例如，結狀蛋白質通常充當催化劑。目前理解複雜蛋白質世界的進步工具（參見《今日物理》，2024 年 12 月號，第 17 頁）讓我們有希望將來能發現天然分子機器的功能，成為分子機械工程的靈感來源。
「自從 1970 年代伍德沃德（Robert Burns Woodward）和埃申莫瑟（Albert Eschenmoser）合成維生素 B12 以來，我們基本上知道有辦法製造出任何想要的有機分子。但對於三維形狀或拓撲結構較複雜的分子來說，情況絕非如此，」卡坦說。新方法的高產率和化學靈活度對該領域來說都是正向的發展。熱力學不利的分子也可以儲存能量。但或許最值得注意的是這項發現展示了分子馬達可以主導合成那些原本無法製造的分子。
「這將帶領我們走向何方，還很難說，」卡坦表示，「但我認為生物學以及巨觀機器，確實為所有可能性奠定了基礎。」
參考文獻
[1] T. Wachsmuth et al., Science 389, 526 (2025).
本文感謝 Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於 Physics Today, Oct. 2025 雜誌。
原文：A machine that mechanically interlocks molecules
作者：Laura Fattaruso，現任《今日物理》副編輯，擁有美國麻薩諸塞大學阿默斯特分校地球科學博士學位。譯者：林祉均，中央研究院物理所研究助理。
