如何通俗的理解 2016 年諾貝爾化學獎「分子機器」的設計合成原理及其帶來的改變？
2016 Nobel Prize in Chemistry
The Nobel Prize in Chemistry 2016 was awarded jointly to Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa "for the design and synthesis of molecular machines".
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本題已收錄至知乎圓桌 ? 2016 諾貝爾獎巡禮，更多諾貝爾獎相關話題歡迎關注討論。
更新：關於這次頒獎帶來的改變。我大致引述以下我導師在獲獎後學校的新聞發布會上表達的意思，科學研究，尤其是像分子機器這樣的基礎研究，經費來源主要是政府機構。而當前不論是美國還是我國都有越來越重的應用導向性，這導致一些暫時看不到應用的純基礎研究的經費受到應用研究的擠壓。希望這次瑞典諾貝爾獎委員會的頒獎會讓政府再次重視起基礎研究來。
我大二的時候讀了一些關於分子機器的文獻，對此很感興趣，於是就套磁了這個領域的大牛Fraser Stoddart教授，在他的幫助下我拿到了西北大學的全獎PhD錄取並於2011年底加入了他的課題組。
我感興趣的是自己設計一個能做功的分子機器體系。所謂分子機器，是指在分子級別能根據外界刺激作出類似機械運動響應的分子。而能對外做功的分子機器，一般叫做分子馬達，馬達之所以被叫做馬達（motor），是因為能將某種形式的能量輸入轉化為某種我們需要的輸出，即馬達要做功。而之前絕大多數文獻報導的分子機器都沒有做功，比如我們組2004年發表在Science上的「分子電梯」（Science, 2004, 303, 1845）在交替加入酸鹼時下圖中紅色的「電梯」因為不同位點結合力強弱隨pH變化可以在三個軸臂上移動。但電梯上沒有也不能運載「貨物」，「電梯」上下運動時並沒有做功，「電梯」運行消耗了化學能，但沒有輸出。
實際上，像上面「分子電梯」這樣可以可逆地在兩個或更多穩定態相互轉化的分子被叫做分子開關，分子開關不需要做功。外界刺激下，分子開關可以在兩個或多個穩態可以轉化，因此可以用作分子儲存器（Nature, 2007, 445, 414），或者分子邏輯門（Science, 1999, 285, 391）。
因此，要設計一個這樣一個能將外界能量輸入通過做功轉化為目標的勢能的分子機器，需要精心設計分子結構達到可調控動力學能壘，使得目標落入高能態。
具體的實例分析可以參見我的博士論文工作詳解：An Artificial Molecular Pump - 化學札記 - 知乎專欄
天然合成的分子機器的精巧程度是人類目前還沒法比擬的，隨便舉個栗子：ATPase
ATP Synthase是一個蛋白質複合酶，是由很多個微小的、運動的蛋白質部件構成的，各部件大體上呈同心圓環狀排列。結構上，ATPase分成兩個部分，一個是蛋白質排列拼合成的孔道，這個孔道直接從膜內穿透到膜外。孔道的內端是另一個部件：一個軸樣的旋轉頭。這個旋轉頭像鐘錶里的齒輪一樣，有三個固定刻度。每個刻度之間角度相差120度。外部的高濃度質子「水庫」產生的勢能促使質子從孔道內滑落，大致每三個質子的滑落的能量會讓旋轉頭轉過120度，即一個刻度，10個質子穿過完成一個循環。這個蛋白質旋轉頭每次轉動一個刻度，它的分子張力都讓跟它接觸的ATP、ADP分子化學鍵生成或者打破。第一個刻度處結合ADP分子，第二個刻度處俘獲一個磷酸基團(Pi)並把它附著到ADP上，變成ATP，在生成這個化學鍵的同時鎖定了能量（來自質子的滑落）。第三個刻度處打破結合鍵釋放ATP分子。
上面這個鏈接是精美的ATP Synthase精細結構動態圖（下部模糊部分是線粒體內膜，H+從下方湧入），你可以看見整個機械的旋轉，上部轉子部分在每120度處蛋白結構形狀和張力改變，ADP和Pi被「吸入」，ATP被釋放。每個360度循環製造3個ATP。人體內ATPase的旋轉每秒大致150次，每天一個人的全身ATP更新量要超過自己的體重。當然，這些分子都是循環使用的。這是一個自然界最微小的輪軸系統，一部細微精巧藐視所有人類技術的納米機器。自己本身就是一條複雜而高效率的分子生產線。而且這個機器隨時可以反向工作，即消耗內環境已有的ATP，把它們分解成ADP和Pi，利用釋放的能量把質子泵向膜外。最初發現ATP Synthase的時候，實際上發現的是它的後一種工作狀態，也因此得名。最初的發現者驚奇的是這個微小的酶工廠好像無所不在，所有真核生物的線粒體和葉綠體內膜，所有細菌的內膜上，都有基本相同的ATPase。當時的發現者說「ATP Synthase的普遍，看起來就像生命的基本粒子」。遠遠在化學滲透發現之前，他根本沒有意識到他說得有多麼正確和深刻。
（搬運一下自己的某個回復你對於 2016 年諾貝爾化學獎的預測是什麼？ - 知乎用戶的回答
人類的主觀創造性使我們可以在大自然的基礎上進行模仿和超越，使用更加簡單的結構部件，並通過利用其它能源（光能、各種形式的化學能等）而不只是氧化分解和磷酸鍵水解過程，即可完成與天然的分子機器類似的工作，雖然說效率尚待提高。
某種程度上，分子機器可以看做一種能量轉換裝置。在外來能量的存在下，分子機器可以通過機械運動可控地改變其空間相對位置，以實現特定的設計目標。
當然，在分子機器發展的初級階段，大多數機械運動都是不受控的可逆過程，主要依賴於布朗運動來完成。後來，提出了所謂「布朗棘輪」，也即通過分子結構設計來完成統計上的單向運動（主要是轉動）過程。在此之後，通過形成可逆的化學鍵或者光化學過程，並適當組裝分子零部件，甚至可以製造一些更複雜的分子機器，比如分子小車（見下），就具備了輪胎、發動機，甚至還有懸掛系統，作者本人甚至還想加裝一個倒車裝置= =。。。
不細說了，詳見有哪些人除了自身主業做得好，副業也做得很厲害卻不被大多數人所知？ - 成楚暘的回答
現在，這個領域來到了一個關鍵的節點：如何在現有分子機器上進行有機組合，使其可以互相搭配運行，併產生宏觀可見的效應，而不只是繼續探索製造新的分子馬達。就像我們有了輪胎、底盤、發動機、懸掛系統和剎車系統等等，現在的需要是怎麼組裝成一個汽車，甚至是一個車隊，而不僅僅是繼續尋找更好的發動機。
在生物領域，大自然就勝於人類一籌。舉一個生化過程：蛋白質轉錄與翻譯。首先，DNA與RNA聚合酶發生自組裝過程而解旋，形成的單鏈與對應的核糖核酸形成氫鍵（同樣是自組裝）；RNA聚合酶在沿著單鏈運動的同時，催化核糖核苷酸聚合形成mRNA，mRNA再與rRNA（核糖體）結合，再和tRNA依次配對，其上結合的氨基酸被依次聚合形成肽鏈，直到終止子為止。
至於其他細胞裡面的生化過程，給一個相關視頻：哈佛大學3D動畫 你細胞內正在發生的事，驚艷(中文高清)
在這些過程中涉及了大量的天然分子機器（核糖體、聚合酶等），在互相的協調配合下完成了多肽鏈的合成工作，而我們的正常生活也依賴於此以及之後的修飾、運輸過程。但是我們甚至無法合成一個大的蛋白質，更不要說模仿其中的任何一個過程了。
某種程度上，人類本身就是大自然創造出來的高度自組裝的超分子體系，而且經過數億年的演化，多個高度可控的自組裝過程連鎖起來，逐漸由條件反射變成了智能，並在此基礎上進一步形成了現在的生物圈和複雜的人類社會。在此之後，大自然所創造的人類反過來開始研究大自然本身，甚至如今開始慢慢地模仿大自然當時的行為——創造一個基於一些特定的自組裝過程的全新的超分子體系，甚至是一個新的世界。
人類也終於開始接近所謂造物主的存在。
在製造業和生物技術領域，已經有了一定程度上的發展。例如，差點一塊得了獎的David Leigh發展了一個多肽合成生產線，利用分子機器來「撿起」氨基酸並催化脫水縮合過程，最終用一千多條生產線合成了數mg多肽分子。另外還可以通過可控地改變分子構象，可以通過外來信號（比如光照）引發分子開關，進而調控藥物分子釋放藥效的過程。
在未來的設想中，鑒於相對於現有的大規模集成電路，單分子的體積仍然極小，因此可將具有2種或者更多的亞穩態的分子密集有序排列，形成類似磁碟的高密度儲存晶元，通過適當方式（激光等）進行讀寫和擦除等工作，這對未來的信息技術將會是一場重大變革。
同樣，借鑒細胞的信息處理系統，通過類似圖靈機的設計思路，通過依次釋放信號分子，在分子機器的催化下，將具有介面的信息片段分子有序連接，並且在信息片段上預留部分氫鍵或其他分子間作用力位點，通過合適的自組裝過程壓縮儲存，需要時進行解壓縮過程並用合適的分子讀取並翻譯，再通過適當方式轉運輸出。。。（看得出來，我們窮盡智商都暫且比不過組成我們的一個小小的細胞啊QAQ）
（想到這裡，人類通過大自然演化所賦予的智能製造了一個全新的存在——人工智慧，而人工智慧也開始通過深度學習來部分代替人類社會中的部分工作。那麼，人工智慧有一天會不會也像今天的人類一樣，創造一個屬於「他們」的世界呢？屆時，人類社會又會變成什麼樣子呢？）
基於此，諾貝爾獎頒發給該領域的原因，大概是想作為該領域發展的一個敲門磚，以人類社會目前最受關注的科技類獎項吸引資金和人才，來推動該領域的發展，想必將會拋磚引玉，甚至可能會引發一場不亞於現今的信息技術革命的大發展。
諾貝爾獎的標準之一就是實用性，而且近年來的趨勢也越來越明顯，這次頒發給一個還基本停留在實驗室階段的工作確實讓人難以想像。但是也許，這也是評審委員會的考量，希望通過這個獎來提高哪怕只有一段時間的關注度，並給相關領域的科研人員提供間接的便利吧。
也許，他們的現在尚不能為人所理解的遠見，將在不久之後極大改變人類的生活和社會發展。我們將拭目以待。
19世紀的人們永遠想像不到發電機、電動機和發動機會怎樣影響20世紀人類的社會和戰爭形態。
20世紀的人們一樣想像不到半導體、二極體和集成電路會如何改變21世紀人類的交流和娛樂方式。21世紀的我們，也一樣。最後，突然回憶起當年法拉第和某個貴婦人的對話。
1831年，法拉第發現電磁感應現象，確定了電磁感應的基本定律。有一次，法拉第在演示他的圓盤發電機的時候，一個貴婦人譏笑他，說：「你的新發明有什麼用呢？」法拉第反問了一句：「新生的嬰兒又有什麼用呢？」
今天早上看到諾獎的消息比較驚訝，因為分子機器雖然顯示出人類在納米級別對於分子的控制和編輯，但是應用前景並沒有被看好。做這行就是各種開腦洞，非常有意思，就是感覺小孩玩toy，要做的fancy為主。
分子機器的設計和運行原理：
分子的運動和我們日常生活中物體的運動不一樣，日常生活中物體的運動是依靠物理形變力的作用，而在分子水平上，分子的運動依賴於分子狀態之間的能量差以及能量的壁壘，學術上的說法就是熱力學和動力學。打個比方，一座山上有兩個池塘，一個高一個低，分子就像那水，可以存在與兩個地方，高池塘和低池塘，他們之間的高度差就是兩個分子之間的能量，只要給足夠長的時間水就會完全的從高池塘完全流到低池塘，這個行為就是熱力學決定的。但是水的流速，卻是由兩個池塘之間連接通路的形貌決定，比方說如果直接在高池塘的底部連接歌大水管通向低池塘，那麼可能半天不到就完全完成了狀態轉換，而如果連接的非常小的水管，那麼可能得流幾個月甚至更久。如果把水管堵上，那麼狀態轉換的時間就會是無窮長的時間，山無棱天地合也流不完那種。這只是兩種狀態，而分子的狀態卻有很多種，分子機器的狀態可以人為的設計更多，這決定了機器的複雜度。設計分子機器首先得在熱力學上控制分子的多個狀態，另外驅動分子機器就是給這些狀態之間加水管，控制它們之間的轉換動力學。當然另外低水塘的水也可以到高水塘，這就需要外界的出力搬運了，畢竟水不可能自己往高處跑。分子也是一樣，你想讓分子從低狀態到高狀態，就需要一直把低能量的分子搬運到高能量狀態，這裡消耗的能量是化學能（比方加酸加鹼，給陽光，給熱量等等）。搬運到高狀態之後，分子又會自己落回到低狀態，只要不停的提供能量持續的講低能量狀態分子搬運到高能量狀態，那麼分子機器就能不停的運動下去。至於設計分子電梯、火箭、起重機、馬達等等，就需要你大開腦洞哇。
分子機器的設計與運行原理（複雜的分子機器可以不止兩個能量狀態）
獲得諾獎帶來的改變：
分子機器屬於「基礎研究」，但是又不同於傳統的基礎研究，我說的傳統的基礎研究是探索未知的自然科學規律，而分子機器的構建是基於已有的科學規律的，是一種」分子工程學的設計「。分子機器獲得諾獎，必然會有更多的人湧向這個領域，原本這個領域圈子屬於比較小的。之後分子機器的設計很可能會被極大的拓展開，而不僅僅限於有機化學的合成分子機器，利用這種工程學的思路，其它領域的人看能不能用手頭的分子設計一個能夠reversible的分子，就可以說是「分子機器了」，其中典型的生物分子，比方一些功能性的多肽，蛋白質，脂肪酸等等。尤其是DNA，簡直是設計分子機器的完美分子（後面會詳細說到DNA構建的納米機器人可以走迷宮，搬運貨物）。或許在遙遠的將來某一天，人類可以將這些所有的分子機器組合在一起，創造出複雜度一定程度上接近自然的分子機器，如ribosome，是蛋白質和RNA構建的複雜組合體。
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下面介紹介紹DNA作為材料如何構建分子機器。
有些為DNA
分子機器鳴不公，畢竟要論對於分子機器所能實現功能複雜度的方面來看，DNA分子機器基本上是不會被超越的，分子機器的諾獎怎麼著也得有DNA納米領域開山鼻祖ned
seeman（Ned Seeman#x27;s Home Page ）一份啊。說說為什麼我為DNA
分子機器的工作鳴不平，下面介紹下通過對於DNA的編輯實現拓撲複雜度，結構複雜度，動態機器複雜度以及一些應用，不論在哪一點都是基本上超過化學合成分子機器的。其中應用方面，目前的化學合成的分子機器幾乎沒有什麼應用，但是DNA分子機器已經實現了智能載葯選擇性殺死癌細胞了。拓撲結構複雜度的實現。
將DNA 分子通過剪輯互補配對以及通過鏈接酶鏈接的方式就可以實現各種複雜拓撲結構。下面是早期的一個實現borrean環的一個例子。
Nature 386.6621 (1997):
137-138.最近nature chemistry報道了一個工作利用拓撲異構酶對於DNA junction的reconfiguration實現了更加複雜的多的拓撲環結構，其中Whitehead Link是首次在分子級別實現，這是化學合成目前還做不到的。
Liu, Di, et al. Nature Chem., 8, 907-914 (2016）
形貌複雜度的實現
DNA分子對於形貌上在納米尺度的精確控制是目前其它分子很難實現的。比方下圖通過DNA分子的相互雜交受限實現下面四種自裝unit，然後這些unit可以自己通過剪輯互補配對識別自身從而組裝形成納米陣列結構。
分子陣列的實現
更進一步對於形貌控制可以通過一個叫DNA
摺紙的技術實現。DNA摺紙術是用大概一到兩百條較短的DNA鏈（20-60 個剪輯）通過剪輯互補配對的方式對一個模版長單鏈（一般幾千個鹼基長）進行摺疊成自定義形狀。下圖是設計步驟，首先你有一個目標形狀，比方說一個笑臉，然後把目標形狀用圓柱實現 ,因為DNA就是圓柱嘛，再用DNA雙螺旋取代圓柱， 接著在DNA雙鏈之間構件crossover，形成一條非常長的鏈就是模版貫穿整個結構，然後幾百條短鏈作為staples鏈，有了序列就可以合成這些鏈啦，合成一般都是公司做，自己下訂單就行。有了鏈，就可以把他們混在一起，做一個退火就行，結構就會自己形成。左下是納米尺度下的笑臉結構。這些已經現在有軟體了，也就是說你自己就可以用軟體設計你想要的結構了。鏈接：welcome | cadnano， 有興趣可以下下來玩玩，youtube上有教程教你怎麼用。
DNA摺紙術的實現步驟
不僅僅可以做笑臉，還可以有各種結構，比方下面還有莫比斯環，花瓶，圓球，花－小鳥，多面體結構。
各種分子形貌結構的實現（版權聲明：嚴禁轉載！！）
還有下面小人結構。
Nature methods 8.3 (2011): 221-229.
動態分子機器人的實現
DNA做成的分子機器人現在已經算複雜了。下面是兩個經典的用DNA實現的分子機器人，兩篇文章同時在同一期以back-to-back在nature發表（Nature 465.7295 (2010): 202-205，；Nature 465.7295 (2010): 206-210.），上圖中藍色的是機器人，灰色是行走平台，在平台上有三個站點（每三個綠色鏈構成一個站點），每個站點旁邊有貨物（金色的納米顆粒）需要DNA分子機器人搬運，並且可以人為的控制DNA機器人是否進行搬運操作。下圖是控制分子機器人的行走方向，紅色點是機器人行走起點，中間一個球（一個蛋白質）包著鏈就是DNA機器人，綠色是給DNA機器人規定的行走路線，路線可以認為隨意編輯，結果DNA機器人會沿著規定的路線行走的。
DNA分子walker
這個還不夠fancy，最近出了個工作是有人用DNA自組裝做成了一個納米尺度的迷宮，下圖是迷宮的形貌，後面會研究讓DNA
機器人走迷宮解迷宮，這裡可以研究DNA機器人最長可以走多遠，走到路口的時候，怎麼做決定向哪個方向行走，以及有多大的概率可以走出迷宮將。另外值得一提的另外一個對於合成機器的應用前景預測就是分子計算機，而這一點也是用DNA已經實現了的，DNA已經被證明可以成功的用於設計初步人工智慧神經電路（training和testing的實現， Nature, 475:368-372, 2011）以及計算機（實現了二進位四位數開根號的運算，Science, 332:1196-1201, 2011）。
DNA 自組裝形成的納米迷宮，可以用於DNA納米機器人在裡面行走
納米機器人用於智能載葯的應用
再說說應用，一般納米機器人大家看得較多的未來應用就是智能載葯系統，這樣的系統已經初步用 DNA納米機器人實現了。比如下圖中的例子，DNA
自組裝形成的貝殼狀的機器人，機器人內部有兩個蛋白質藥物，可以用於殺死癌細胞。機器人本身帶有細胞類型識別的元件，可以識別哪個是癌細胞哪個是正常細胞，碰到正常細胞是關閉狀態（右上），這樣蛋白藥物不會接觸細胞，不會對細胞造成傷害。但是如果碰到了癌細胞，納米機器人通過自身的識別元件會識別到癌細胞，並且像變形金鋼一樣改變自己的形狀（左下），將藥物暴露出來，殺死細胞。這個是已經在細胞上實現了的，發表在science上（Science 335.6070 (2012):831-834）。
所以DNA納米機器不僅可以實現化學合成機器的功能，並且還能做得更多。當然我在這裡並不是表孰優孰劣，畢竟化學合成的分子機器在驅動上以及尺寸上都不大一樣，但是能既然諾獎搬給三個做化學合成分子機器，都不給一個DNA分子機器，所以為其鳴不公。
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酮醇縮合。打出這幾個字我並沒有怎麼猶豫。送給親愛的考研黨，預祝你們考試成功。---------------如果Jean-Pierre Sauvage是第一個造輪胎的人那麼Sir J. Fraser Stoddart就是第一個造馬車的人而Bernard L. Feringa就是第一個造汽車的人---------------一切就從1983年這篇只有兩頁紙的文章說起吧
（轉自：環球科學ScientificAmerican 馬克·佩普洛Mark Peplow)
這就是Fraser Stoddart的馬車
分子在做布朗運動，也就是不可控。現在中間的環狀分子可以控制了，用的是PH。馬車修好了。
有了車，輪胎就有用了。研究也就有了實際價值。
客觀規律的發展上個世紀最後一年第一台分子馬達由Bernard L. Feringa合成
原理類似
如今已快20年了，很多類似的小小車被合成。
技術總在往兩端走，一端越來越大，胡弗水壩，土星五號，航空母艦。一端越來越小，如上。人能登上月球，但是對於細小東西的理解，現在來看，淺薄的多。藥物遞送，能源傳輸，信息儲存。。。。。其實想想也覺得很有意思。關於想像力。合成（知識淺薄還請見諒，幫忙改正萬分感謝）化學獎頒給了化學，大家表示都很意外參考文獻Eur. J. Org. Chem. 2010, 1407–1410.Nazario MartínTetrahedron Letters 47 (2006) 4907–4909.Pierre Mobian, Jean-Paul Collin and Jean-Pierre SauvageChem. Soc. Rev., 2009, 38, 1521–1529.J. Fraser StoddartNature Nanotechnology Vol 1 October 2016 25-35.Wesley R.Browne,Ben L.Feringa我雖然對分子機器這一塊一無所知，但請容許我大開一下腦洞吧。我希望有人能有和我類似的想法。
雖然分子機器還是個很新鮮的概念，但它在自然界早就廣泛存在了。生物進化出了各種精巧的大分子。最嘆為觀止的就是核糖體，這個複雜的分子機器可以把RNA上的遺傳信息轉化成蛋白質的氨基酸序列。高票答主的一個回答就是關於人工合成tRNA的。此外還有各種精巧的堪稱藝術品的酶，比如ATP合成酶，DNA聚合酶，逆轉錄酶，CRISPR-Cas9等等，還有各種離子泵，動力蛋白等等。
我覺得如果以後分子機器成熟了，我們可以製作一種分子機器人，它的大小和病毒差不多，可以準確的找到特定的細胞，準確的找出目標DNA片段，然後把它替換成想要的DNA序列。這樣我們就實現了基因治療的宿願，只要注射一針分子機器人就能治病。這種分子機器人必然是綜合了現有的基因治療手段的優點，具有無可估量的應用前景。
同樣，我們也可以設計出各種和酶類似的大分子，可以用來合成各種複雜的大分子。從此有機合成不再是化學家的噩夢。如果腦洞再開大一點，我們甚至可以設想用分子機器實現合成生物學的宿願，人工合成DNA長鏈！或者用分子機器實現人工光合作用！
現有的化學反應的能效非常低，很多都要高溫高壓的條件。電化學反應的效率不錯，但它的局限性也很明顯，反應物必須導電，必須是氧化還原反應。而很多有機物是不導電的，很多有機分子是共價鍵而不是離子鍵，很多有機反應也不是氧化還原反應。所以如何把能量輸入給反應物是一個很大的問題。而自然界廣泛存在各種酶，它們在常溫常壓下就可以高效催化各種有機反應。想想如果以後我們只要給機器通電，機器就能源源不斷的合成各種有機大分子是多麼excited！
還有離子泵也是我感興趣的一個方面。自然界有很多精巧的輸運蛋白，它們可以把需要的離子，分子挑選出來。我希望分子機器可以用來分離各種物質，比如把鹽水分解成鹽酸和氫氧化鈉，分離氮氣氧氣，甚至可以分離同位素。
我們甚至可以把各種分子機器放在石墨烯，碳納米管的骨架上，構成「分子車間」。分子像流水線一樣在分子車間中被加工。這就像自然界廣泛存在的生物膜結構，比如葉綠體，內質網。這些膜可以隔絕各種反應物，讓化學反應得以有序進行。如果有了分子車間，我不敢想像這能帶來怎樣的提升！如果這些能夠實現的話，費曼的宿願，人類可以自由操縱分子原子或許就成為現實了吧。
不過我擔心的是，現在的分子機器還處於起步階段，人們對分子機器的應用不看重，還在研究怎麼合成更複雜的分子機器。但以後分子機器的應用必然會越來越重要。我擔心國內又是像之前那樣跟風，國內的研究組純粹是為了水論文，為了合成而合成。這樣結果除了浪費經費什麼用也沒有。此獎瑾頒給戰鬥在有機化學領域並致力於突圍的仁人志士。。。（還在過柱子的都懂得）
雖然我認為這是近年來我能夠認知中的諾貝爾化學獎最水的一次，但是也可以理解。該獎的獲得可以說是有機化學和物力化學的完美聯（gou）姻（he），將化學徹底帶入了一個「玩」的領域。Sauvage是lehn的學生，屬於非常喜歡提概念的流派，估計獲獎也和lehn的影響力相關（老頭鋼琴彈得不錯）。J. F. Stoddart和B. L. Feringa都是有機化學出身，從他們合成分子的難度和對手性的理解就不難看出（Feringa還是合成和催化大牛，學過有機的都知道Feringa配體）。這樣的工作一般是早期物理化學領域的人不願意甚至不能幹的。
這個故事就豐滿了：一個物理化學領域的（超分子化學屬於物理化學）先驅依照老版的體系做了個簡單的模型，提了一個概念，指明了方向。有機化學領域的兩個牛人同時也看到了新的金礦，做個更為精巧的體系（對於曇花一現的分子機器，完全不能納入到開創性工作）。想必他們二人也知道，如果就是follow有機傳統領域，就是再牛，他們二人也是拿不到炸藥獎的。如果想看看分子機器已經腦洞大開到什麼程度了，不妨看看David Leign的工作。
理解：不要提什麼高深的物理化學中能壘的概念，學過物理化學的人一般都懂。分子結構受pH，光和熱之類刺激因素的改變可能對於一些人比較陌生，翻翻幾篇文章就不難理解了，一個範式。
設計：說句實話看機緣。如今的分子機器體系基本上「專利」都屬於各大派系，學術上隨便做別人的東西是不好的。如果你是物理化學領域的，最好多開開會看看能不能撿漏拿過來用，或者找人合作合成（物理化學的優勢是懂得表徵方法以及擁有的設備比較多）；有機化學領域看看你手頭有沒什麼體系match。專門從0開始風險大，沒有表徵設備一般的有機化學家也玩不轉（合成的一般核磁和質譜搞定）。
帶來的改變？分子機器真沒啥大用，看看現在的體系就懂了。（當然，你不能把現有的通過刺激導致物化性質改變的體系都算作分子機器；當然，也會有人會說科學不能看現有貢獻blabla）感覺反而被灌水灌臭了。這也是個歷史問題，由於有機化學在學術領域的衰落，造成了大量有機合成資源的閑置（改個基團或者換個簡單條件的就算是學術貢獻的我就呵呵了；大家也可以看看這些大牛也是非常喜歡招有機化學的博士的）。分子機器真是個不錯的突圍方向，有合成優勢，還不用篩底物。但是人多了，魚龍混雜，所以現在的體系是玩得越來越看不懂了（好幾年沒有了解過了，可能有些偏頗）。按此推理，有些工作也是有拿諾獎的機會的，譬如：高分子和力化學的聯姻（各種「拉」）；手性起源和力化學的聯姻（vortex）之類的。
有機化學我認為是現行化學領域中最苦逼的學科了：經費少，工作量大（全合成或者篩底物的都懂的），毒性強，年紀輕輕禿頭的多。這次頒獎是一個不錯的突圍示範。物理獎有些高大上，化學獎其實比較接地氣。還是真心希望化學獎能夠頒給理論有突破，實際大貢獻的工作。
基本上脫離化學領域了，有感而發。我說點其他的，有些偏見，物理界一些夥伴覺得這個獎很水，原因是分子機器除了合成工藝上需要研究外（個人觀點），還有一些交叉學科的人研究所謂的機理，並申請了很多經費。。。搞得物理界感到這個獎純粹一個引用率炸藥獎，同啥石墨烯同細胞作用那種級別的工作沒啥兩樣。。。不是這個工作本身問題，而是跟風的人搞臭的，不像拓撲相變得獎，跟風的研究都是能影響很多後續物理研究思路。反觀分子機器，物理原理清楚，沒有太多計算難點，主要是合成工藝，這個炸藥獎辦成化學工程獎，沒有太多科學上或者實用上的東西，這個號稱納米工業文明的蒸汽機，著實感到目前能用的可能是醫藥。。。這種獎，非常容易造就國內一些布魯克水文實驗室出現。。。為申請奇怪的經費提供證據。尤其給那些拿著量化軟體各種計算水了一堆文章的博士提供了很多素材。。。
求分子機器計算大神帶我發計算理論的文章飛。。。你們發的都太專業我看不懂，我就想說，分子都被你們玩壞了
我來我來我來～作為一個生物醫學博士，一直在找一個合適的博後職位，而近期所投的所有研究方向都是涉及到分子機器的。
一. 什麼是分子機器？
分子機器的英文稱呼有很多，比如molecular machine, molecular device, molecular motor, molecular
robot。通俗的說，就是以分子為元件構建的具有一定功能的納米級機器。
要明白分子機器的原理，我們先從分子機器的發展過程說起。
1）在1983年，Jean-Pierre Sauvage成功將兩個環狀的分子連接起來形成鏈，並把它明明為catenane（索烴，又名套環烴），其結構如圖1所示。一般而言，分子通過強大的共價鍵相互連接，原子通過共價鍵共享電子。但在索烴的鏈條中，分子是通過更加自由的機械紐帶連接在了一起。 對於分子機器來說，如果想要它發揮一定的功能，需要包含一個可以相對移動的部分，那麼，索烴這樣子的環交叉架構，恰好可以實現這個功能。索烴具有非常好玩的性質：其一是它的每個環之間不被任何價鍵力連接，所以除非環分子內部的共價鍵斷裂，否則互鎖的環不能夠分開。其二是索烴的環可以轉動。這點在應用方面就是如果控制索烴的某個位置的話，就可以控制索烴的移動，從而形成一個分子開關。進一步呢，如果引入一些活性基團，就可以進一步控制分子的開關、製備分子感測器等。
Stoddart首次證明分子環可以沿著分子軸移動，在之後呢，他基於輪烷進一步開發分子起重機（molecular lift）和分子級別的電腦晶元。索烴和輪烷這樣子的雙穩態分子為在納米和分子尺度上設計和構築新型的分子器件提供了基礎。
在1999年，第三個人，也就是Bernard Feringa，設計出了可以沿著一個方向持續轉動的分子馬達（molecular motor）。 而人體的一切活動，包括肌肉收縮、物質運輸、DNA複製、細胞分裂等，追蹤到分子水平都是來源於分子馬達的驅動。而現在呢，人們似乎可以從分子入手，通過控制分子馬達，打造納米機器人（nanorobot）。納米機器人呢，在生物醫學（智能藥物遞送、屏障跨越等）、生物物理（生物感測器）、信息存儲（納米級別的，可以將現有存儲晶元大幅度縮小）等等等等各個方面發揮作用。當然，我主要關注生物醫學方面的應用，這也是最近關於molecular machine研究比較多的方面。另外，除了有機合成的molecular machine，也有大多數的研究者開始利用DNA和蛋白質的自組裝來製備molecular device。在這方面，也是我比較感興趣的。就像 @Joey Liu 所說------
如果Jean-Pierre Sauvage是第一個造輪胎的人
那麼Sir J. Fraser Stoddart就是第一個造馬車的人
而Bernard L. Feringa就是第一個造汽車的人
------也如 @流星 所說------人類也終於開始接近所謂造物主的存在。------三. 對生物醫學研究帶來的改變(等我醒來補充）所以，這個工作還是很有意思的，而且未來會逐漸改變我們的生活。那麼，我還是很有興趣去做這樣的工作的，所以，祝我博後申請之路順利吧~~~只是借著夜晚做了一點微小的工作，謝謝大家。不足之處，明早醒來再補充。因為第一篇綜述看的就是02年stoddart的分子機器。。。但是知乎有成老闆 @成楚暘 。所以這一個必須他來回答了！！！回頭化學空間我也要更新一篇！！！我們也好激動！超分子時隔多少年了！這是第二次！而且沒有任何人想到！！！！
瀉藥~
去年10月5日，瑞典皇家科學院宣將16年諾貝爾化學獎授予三位科學家-來自法國斯特拉斯堡大學的Jean-Pierre Sauvage 、美國西北大學的Sir J. Fraser Stoddart以及荷蘭格羅寧根大學的Bernard L. Feringa，以獎勵他們「在分子機器的設計和合成」方面的貢獻。毫無疑問，當時我感到驚訝，也倍感激動。這個結果出乎我的意料。其實早在幾個月前，Thomson Reuters就發布了2016諾貝爾獎化學獎的終極預測。而這個結果，既不是熱門候選人--在CRISPR-Cas9基因編輯工作上有傑出貢獻的George Church（哈佛大學醫學院）、張鋒(麻省理工學院)，也不是在從事新材料研究的科學家。據統計，過去100多年間，諾貝爾化學獎頒發過的107次中，獲獎最多的卻是生物化學領域，有50次與該領域相關。近幾年來，諾貝爾化學獎多次授予交叉學科，獲獎科學家從事的科研工作往往是基於化學這個強有力的工具，而不是單純的化學理論研究。如DNA修復機制（2015）、超解析度熒光顯微技術（2014）、G蛋白耦聯受體的研究（2012）。除此之外，諾貝爾化學獎還曾多次頒發給物理學家。但是今年的諾貝爾獎，是實實在在頒給了化學。我相信這也讓單純搞化學的人，搞超分子的人感到激動萬分。
談到基於非共價作用的超分子機器，關注化學發展的同學應該並不陌生。其實在生命體的生理過程中，分子機器都起著重要甚至是核心的作用。比如具有翻譯蛋白質功能的核糖體，如同一個「機器」，高效地在RNA鏈上行走以完成將氨基酸連接成多肽的任務。生物體是最精密的儀器，有無數複雜的體系，值得人類探索與學習。然而，與生命體中的精密高效的「分子機器」相比，到目前為止，尚無可以精準控制化學分子在分子水平運動的方法。在化學反應中，每一個催化劑，每一種材料，每一種高分子、藥物、反應試劑所在的化學系統都力求達到平衡，這是一種低級的能量狀態，是一種相對靜止的狀態。當我們可以人工構建分子，在分子水平上控制其運動使之與外界發生作用，這必定會對功能分子設計及材料設計產生重大而深遠的影響。
諾貝爾獎得主、著名物理學家Feynman在1959年的演講中說："There』splenty of room at the bottom"--即分子水平上，科學家大有可為。在1984年他又提出一個問題：我們的機器能夠做到多小？ 我想今年的諾貝爾獎給Feynman了一個答案。
從分子水平上控制分子運動，這無疑是一個令人興奮的主題。上世紀中葉，很多科學家投入到複雜分子的研究工作中。他們合成出一些分子鏈、輪烷、索烴等複雜分子，目標基於其結構研究分子水平運動。但是這一類工作收到了不小的阻礙：我們可以想像，這類複雜分子的化學合成步驟長，每一步產率不高，這也導致了其總產率非常低的結果。因此其應用價值極其有限。這樣的科研在當時被視為純粹為了滿足好奇心而從事的研究，超分子分子機器發展遇到了困境期。直到1983年，Sauvage小組利用模板合成法，僅用兩步就合成了[2]索烴，這極大地提高了反應產率，也為之後的分子機器進一步研究鋪平了道路。幾年之後Stoddart小組將分子線穿入如索烴、輪烷等大環化合物，設計合成了世界上第一輛「分子汽車」。在兩位科學家的開創性工作之後，越來越多的研究小組參與其中。科研人員想要研發更多的新型超分子機器體系，同時尋求使其完成簡單工作的方法。隨著越來越多課題組參與到分子機器的研發中，直到上世紀九十年代末，大量的新型分子機器如雨後春筍般發展起來。但是，分子機器仍然存在諸多疑問有待解決，比如如何使其實現方向性改變等等。實際上，在那時候沒有人知道我們到底應該如何實現分子的機械運動，如何將其與宏觀運動結合···當諾貝爾獎得主Feringa的研究小組開發了世界上第一台能轉的分子機器，這個問題似乎有了初步的答案。其課題組設計合成了以雙鍵為軸，芳環為轉子的分子機器。通過改變光照、溫度等條件，成功實現了其360°旋轉。這解決了分子機器方向性運動的問題。實際上，利用類似的旋轉分子機器，我們可以推動液晶膜表面的玻璃微管運動，如同分子汽車的車輪推動其在固體表面運動。20世紀以來，Stoddart課題組將分子開關應用到如分子電子學，納米容器-釋放系統，其也設計了一系列非常exciting的分子機器，如「分子電梯」等。與此同時，其他小組努力研究分子機器的力學性能，旨在使其完成簡單的工作。Sauvage課題組設計的「分子肌肉」，可以在二維進行可控伸展。Feringa課題組涉及合成的分子機器能夠實現多種功能，有望應用於如力學性能改變，催化等等方面。其他課題組設計合成了第一個「分子泵」，基於DNA的分子機器等等。毫無疑問，現在分子機器的研究目標是使其實現其機器的功能，使之真正成為「機器」。
2016年諾貝爾化學獎授予分子機器的研究，有其背後的道理。幾十年來，是三位為代表的科學家讓我們看到了分子機器研究的曙光。但是到目前為止，我們並沒有完全掌握分子機器的「脾氣」，也並不能將其最大化利用，來幫助實現一些基本的小目標。分子機器的研究一直存在質疑，人們質疑其未來應用的可行性，質疑其藝術設計的成分大於科學研究的成分，是否存在誇大宣傳。而另一些人對基礎研究本身的意義存在諸多疑問，質疑其與應用之間存在的鴻溝。其實不只是分子機器，類似的基礎研究都受到或多或少的質疑。基礎研究的目的是探究未知，揭示自然規律；挖掘事件發生背後的道理，獲取新知識，掌握新原理。一些人說這些工作與實際生產生活差距甚遠。其實我們可以想像，如果沒有萬有引力定律、電磁學等基本物理理論的發展，今天的衛星怎麼可能在太空遨遊？GPS系統又如何而來？我們的通訊怎能如此便利？沒有盧瑟福等科學家對原子結構的基礎研究，今天我們賴以生活的一切日用品又從何而來。我想，當年牛頓可能不會想到人類有一天能進入太空，登上月球；當年麥克斯韋可能不會想到，基於網路及無線通訊技術，人們足不出戶就能購買全世界的商品。我想，這就是類似於分子機器、生命起源、粒子性質、反物質、暗物質、引力波等等基礎研究的意義，也許這些研究對社會和經濟發展並不能起到立竿見影的促進作用，但是其意義是長遠的，這種投資是關於未來的，回報是屬於下一代的。
雖然今天我們的分子機器僅僅能完成非常簡單的工作，但是當有一天，當「分子機器人」、」分子計算機」出現在人類社會各行各業的時候，我們會記得那些從事基礎研究的科學家們。我們的今天如此美好，是因為我們站在以他們三位為代表的科學家的肩膀上。故事未完待續，讓我們一起期待未來。
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