分子机器

分子机器、纳米粒子或纳米机器是响应特定刺激（输入）产生准机械运动（输出）的分子组件。在细胞生物学中，大分子机器经常执行对生命至关重要的任务，例如DNA复制和ATP合成。该表达式通常更普遍地应用于仅模拟在宏观水平上发生的功能的分子。该术语在纳米技术中也很常见，其中提出了许多高度复杂的分子机器，旨在构建分子组装器。在过去的几十年里，化学家和物理学家都在尝试使宏观世界中的机器小型化，并取得了不同程度的成功。分子机器处于细胞生物学研究的前沿。2016年诺贝尔化学奖授予了Jean-PierreSauvage、SirJ.FraserStoddart和BernardL.Feringa，以表彰他们对分子机器的设计和合成。

分子机器可分为两大类；人工和生物。一般来说，人工分子机器（AMM）是指人工设计和合成的分子，而生物分子机器通常可以在自然界中找到，并在地球上的生物发生后进化成它们的形式。

化学家已经合成了各种各样的人工分子机器（AMM），与生物分子机器相比，它们相当简单和小。xxx个AMM是一种分子穿梭机，由J.FraserStoddart爵士合成。分子穿梭是一种轮烷分子，其中一个环以机械方式互锁在带有两个大塞子的轴上。环可以在光、pH、溶剂和离子等各种刺激下在两个结合位点之间移动。正如这篇1991年JACS论文的作者所指出的那样：只要可以控制[2]轮烷中一个分子组分相对于另一个分子组分的运动，构建分子机器的技术就会出现，机械互锁的分子结构引领了AMM设计和合成，因为它们提供定向分子运动。今天，存在各种各样的AMM，如下所示。

分子马达是能够围绕单键或双键进行定向旋转运动的分子。单键旋转电机通常由化学反应激活，而双键旋转电机通常由光驱动。电机的转速也可以通过仔细的分子设计来调节。还生产了碳纳米管纳米马达。

分子螺旋桨是一种可以在旋转时推动流体的分子，因为它的特殊形状设计类似于宏观螺旋桨。它有几个分子级叶片，以一定的俯仰角连接在纳米级轴的圆周上。另见分子陀螺仪。

分子开关是可以在两个或多个稳定状态之间可逆地转换的分子。响应于pH值、光（光开关）、温度、电流、微环境或配体存在的变化，分子可能会在状态之间转换。

分子穿梭是能够将分子或离子从一个位置穿梭到另一个位置的分子。常见的分子穿梭由轮烷组成，其中大环可以沿着哑铃骨架在两个站点或站点之间移动。

纳米汽车是类似于宏观汽车的单分子载体，对于理解如何控制表面上的分子扩散非常重要。2005年，JamesM.Tour合成了xxx批纳米汽车。它们有一个H形底盘和四个附在四个角上的分子轮（富勒烯）。2011年，BenFeringa和他的同事合成了xxx辆机动纳米汽车，它在底盘上安装了分子马达作为旋转轮。作者能够通过扫描隧道显微镜尖端提供能量来证明纳米汽车在铜表面上的定向运动。后来，在2017年，世界上xxx次Nanocar比赛在图卢兹举行。

分子平衡是一种分子，它可以响应多种分子内和分子间驱动力的动态，例如氢键、疏溶剂/疏水效应、π相互作用以及空间和分散相互作用，在两种或多种构象或构型状态之间相互转换。分子平衡可以是小分子或大分子，例如蛋白质。例如，协同折叠的蛋白质已被用作分子平衡来测量相互作用能和构象倾向。

分子镊子是能够将物品夹在两个手臂之间的宿主分子。分子镊子的开放腔使用非共价键结合物品，包括氢键、金属配位、疏水力、范德华力、π相互作用或静电效应。已经报道了由DNA构建并被认为是DNA机器的分子镊子的例子。

分子传感器是与分析物相互作用以产生可检测变化的分子。分子传感器将分子识别与某种形式的报告器相结合，因此可以观察到物品的存在。

分子逻辑门是对一个或多个逻辑输入执行逻辑运算并产生单个逻辑输出的分子。与分子传感器不同，分子逻辑门仅在存在特定输入组合时才会输出。

分子组装机是一种分子机器，能够通过精确定位反应性分子来引导化学反应。

分子铰链是可以以可逆方式选择性地从一种构型切换到另一种构型的分子。这种配置必须具有可区分的几何形状；例如，线性分子中的偶氮苯基团在受到紫外线照射时可能会发生顺反异构化，从而引发可逆转变为弯曲或V形构象。分子铰链通常以曲柄状运动围绕刚性轴旋转，例如双键或芳香环。然而，还合成了具有更多类似钳位机制的大环分子铰链。

最复杂的大分子机器存在于细胞内，通常以多蛋白复合物的形式存在。生物机器的重要例子包括运动蛋白，例如负责肌肉收缩的肌球蛋白、将细胞内的货物沿微管从细胞核移开的驱动蛋白，以及将细胞内的货物移向细胞核并产生轴突跳动的动力蛋白。活动纤毛和鞭毛。[I]实际上，[运动纤毛]是一种纳米机器，由分子复合物中的600多种蛋白质组成，其中许多还作为纳米机器独立发挥作用……灵活的连接器允许它们连接的移动蛋白质结构域招募它们的结合伙伴并通过蛋白质结构域动力学诱导远程变构。其他生物机器负责能源生产，例如ATP合酶，它利用跨膜质子梯度的能量来驱动用于合成ATP（细胞的能量货币）的涡轮状运动。

还有其他机器负责基因表达，包括用于复制DNA的DNA聚合酶、用于产生mRNA的RNA聚合酶、用于去除内含子的剪接体和用于合成蛋白质的核糖体。这些机器及其纳米级动力学比任何人工构建的分子机器都要复杂得多。用于去除内含子的剪接体和用于合成蛋白质的核糖体。这些机器及其纳米级动力学比任何人工构建的分子机器都要复杂得多。用于去除内含子的剪接体和用于合成蛋白质的核糖体。这些机器及其纳米级动力学比任何人工构建的分子机器都要复杂得多。这些生物机器可能在纳米医学中有应用。例如，它们可用于识别和破坏癌细胞。分子纳米技术是纳米技术的一个推测性子领域，涉及工程分子组装器的可能性，生物机器可以在分子或原子尺度上重新排列物质。纳米医学将利用这些引入体内的纳米机器人来修复或检测损伤和感染。分子纳米技术具有高度的理论性，旨在预测纳米技术可能产生的发明并提出未来研究的议程。分子纳米技术的拟议元素，例如分子组装器和纳米机器人，远远超出了目前的能力。

构建更复杂的分子机器是理论和实验研究的活跃领域。已经设计了许多分子，例如分子螺旋桨，尽管这些分子的实验研究因缺乏构建这些分子的方法而受到抑制。在这种情况下，理论建模对于理解轮烷的自组装/拆卸过程非常有用，这对于构建光动力分子机器非常重要。这种分子水平的知识可以促进纳米技术领域更复杂、通用和有效的分子机器的实现，包括分子组装机。虽然目前不可行，但分子机器的一些潜在应用是分子水平的运输、纳米结构和化学系统的操纵、高密度固态信息处理和分子修复。在分子机器可以实际使用之前，需要克服许多基本挑战，例如自主操作、机器的复杂性、机器合成的稳定性和工作条件。