从物理、数学和统计力学中探究分子机器原理
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作者:郭凌霄 谢丰鸣
摘 要：本文通过理论分析，通过与宏观机器的对比，探究了纳米层次上的分子机器的工作原理，为指导设计分子机器提供了理论依据。分子机器与宏观机器有很大的区别，其中最重要的就是驱动力的不同，微观粒子在不停的做无规则的布朗运动，通过控制微粒的布朗运动可以设计出一系列程序，使分子机器可以按照预想的方式运动。
关键词：分子机器;布朗运动;粒子;纳米
一、绪论
2016年诺贝尔化学奖颁给了Jean-Pierre Sauvage、Fraser Stoddart和Ben Feringa，以表彰他们在设计与合成分子机器上的卓越贡献[1-2]。这是一个当代极具兴趣的科学领域，而且近年来发展迅速。分子水平机器的概念可以追溯到围绕物质统计性质和热力学定律的思想首次形成的时候，布朗运动的发现为实现可控的分子机器迈出了第一步。这里我们概述了迄今为止在可控分子水平运动方面令人兴奋的发现，在过去的二十年中，已经证明可以设计具有结构的合成分子系统，其中发生分子组分的触发的大幅度位置变化。
二、原理
分子机器是可以实现分子水平的运动的机器，可以分为两类——分子开关和分子马达。分子开关是作为状态函数影响系统，将分子开关恢复到最初状态不会产生机械效应，而分子马达作为轨迹函数影响系统，可以对外做功，当恢复到原始位置时机器做的效应不会消失。
分子机器多种多样，过去半个世纪分子生物学家们向我们揭示，许多生命运转活动都在生物大分子如机器般的运转下实现，细胞鞭毛、驱动蛋白、核糖体等一系列生物大分子机器的协同工作造就了丰富多彩的生命世界[3-5]。人们从线粒体中发现的ATP合酶就是一类生物分子机器，它如同一台水轮机，将原料源源不断的转换ATP。为了更好地理解自然，人们开始学习自然，设计人工分子机器。
想要实现控制分子水平的运动，首先要理解宏观机器与分子机器的区别。首先，最重要的是分子在不停的做热运动，布朗运动是分子水平机器特有的动力来源。宏观世界中，运动方程由惯性项（取决于质量）控制，粘性力通过将动能转换为热能来抑制运动，随着物体的尺寸变小，惯性项重要性降低，粘性力开始占主导地位，此时引入Reynolds常数用来描述该效应。
通过布朗运动，控制分子机器运动的方法可以归结为几种棘轮结构，布朗式棘轮机构分为两大类：能量棘轮和信息棘轮。脉冲棘轮是能量棘轮的一种，它的特点是势能最大值和最小值以周期性或随机性方式变化，而与粒子在势能面上的位置无关（图1）。另一类能量棘轮为倾斜棘轮，它为通过对布朗粒子施加无偏转的驱动力来打破详细平衡（图2），热能为最常见的驱动力。在脉动和倾斜类型的能量棘轮机构中，势能面的扰动或粒子与其相互作用的扰动全局地应用并且与粒子的位置无关，而势能的周期性不变。信息棘轮通过改变布朗运动的有效动力学障碍来传输布朗粒子，这取决于粒子在表面上的位置。势能面上的最大值的高度根据粒子的位置而变化（这需要将信息从粒子传递到表面），而势能最小值不一定需要在所有。这种切换不需要在任何阶段提高颗粒的势能，而是通过使用关于颗粒位置的信息，可以利用完全来自热浴的能量来驱动运动（图3）。
通过改变势能面，使布朗粒子自由扩散，在较短的周期内恢复势能面，由于势能面的不对称，粒子更傾向于处于左侧的位置，由此实现粒子的定向移动。（a）颗粒位于能量最小值，（b）电位关闭，以便扩散可以在短时间内发生，（c）电位再次打开。由于电势是不对称的，因此粒子更有可能被困在原始右边的相邻井中而不是左边。（d）放松到局部能量最小值导致粒子向右移动的平均位置。
（a）粒子位于势能面上的能量最小值，能量势垒为kBT1。（b）增加温度使得屏障的高度为kBT2，并且允许短时间发生自由扩散。（c）随着温度再次降低，不对称势能面意味着粒子更有可能被困在其初始位置的右侧。
在（a）和（d）中，虚线表示关于粒子位置的信息的传递。（b）粒子的位置降低了移动到右手井而不是左手的能量障碍。（c）粒子通过布朗运动移动。
三、总结
分子机器在不停地做布朗运动，想要控制分子机器实现定向运动要考虑如何设计控制布朗运动，通过不同的势垒调控，可以使得分子机器定向运动。在理解原理的基础上，在设计各种结构，如机械键结构（机械互锁分子）、共价键结构以及超分子结构等等，或利用外场（电场、磁场）对分子的运动进行调控。
参考文献：
[1]Boyer，P.D.Angew.Chem.Int.Edit.1998，37（17），2297.
[2]Walker，J.E.Angew.Chem.Int.Edit.1998，37（17），2309.
[3]Ramakrishnan，V.Angew.Chem.Int.Edit.2010，49（26），4355.
[4]Steitz，T.A.Angew.Chem.Int.Edit.2010，49（26），4381.
[5]Yonath，A.Angew.Chem.Int.Edit.2010，49（26），4340.
作者简介：郭凌霄（1989-），男，研究方向为高分子材料、工程塑料的研究与应用。
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