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前言

馬達，大家都知道吧！一種通電後可自行轉動的機械裝置，電風扇的帶動就靠一個馬達，螺旋漿飛機、輪船快艇等也是一樣，馬達加上齒輪組，就構成大部分的機器。
那什麼叫做「分子馬達」？答案很簡單，是一種能夠像馬達一般，在給予適當能量後，做出單向轉動的化學分子。這樣的「馬達」極小，尺寸是蚊子的一千萬分之一。有了這麼小的馬達，再加上適當的配件，或許能夠做出分子機器人，進入人體內去修補受損的DNA，或清除血管壁上堆積的膽固醇。 1959年，當大部份科學家都在思考「大」問題的時候，一位諾貝爾物理獎得主Richard P. Feynman卻從「小」問題著手，開創了一門新的研究領域。那些「大」問題指的是星際之旅，登陸月球，太空計畫；而那個「小」問題指的是「毫微科技 (注一)」(nanotechnology)。四十年來，世界上的物理學家、化學家、分子生物學家及電腦專家紛紛投入，有人是「從上到下」，把已有的物件縮小再縮小，如康乃爾大學製出十微米長的毫微吉他(nanoguitar) ，大小和人體的白血球差不多。也有人採取「由下而上」的方式，先做出零件，再組合成機器，分子馬達就是一例。這項成果是由荷蘭Groningen大學的Ben Feringa、日本 Tohoku大學的Nobuyuki Harada及美國Boston學院的Ross Kelly所領導的三個研究小組所完成，並發表於1999年9月 9日出刊的自然雜誌上。

可轉動120度的有機分子

Ross Kelly研究小組合成出能做120度轉動的有機分子。她們是從失敗中學習，之前合成的分子能夠轉動，但不能控制方向，稍加修飾後，問題解決了。

失敗的最初

最初的馬達有如三葉水車(triptycene部分)，外加一個煞車組([4]helicene部分)，二者之間以碳-碳單鍵相連。

一般碳-碳單鍵的兩端是可以自由轉動的，轉動軸即為單鍵本身，所需能量約為3-5 Kcal/mol。這個分子也不例外，可以繞著碳-碳單鍵轉動，然而由於兩端所佔空間較大，所需能量較高，約25 Kcal/mol。此外，轉動不是沿單一方向，順時針及逆時針方向皆可動。

改良後的成果

改良的做法是在水車及煞車上各加一個「鉤子」，再加入「燃料」(ClCOCl)，使兩者自動連結，帶動水車轉動120度，然後停住，如圖一至圖六所示。

圖一、水車、煞車端的「鉤子」( NH₂、O(CH₂) ₃OH) 及「燃料」(ClCOCl)

圖二、水車上的鉤子發生變化(由 NH₂ 變為 N=C=O)

圖三、水車些微轉動，兩端鉤子接近

圖四、鉤子相接

圖五、帶動水車轉動120度(注意藍色部份的位置)

圖六、加入試劑 (NaBH(OEt)₃) 使鉤子分開，水車停止轉動這個分子雖不能如馬達一樣地轉360度，但展示出利用化學能讓有機分子做單一方向轉動的可能性。

可轉動360度的分子馬達

Feringa及Harada共同建立了可連續轉動的元件，其做法是先用紫外光讓分子轉180度，並處於較高能量狀態，之後控制溫度，使分子改變立體結構，達到較穩定的狀態，此過程為不可逆反應，故轉動只會沿單一方向進行，同樣過程再重覆一次，即完成360度轉動，如下圖所示。

符號說明：

粗線是指那部份的結構突出紙面；虛線則指在紙面之下。一般而言，苯環是呈平面結構，故圖中的雙鍵應在同一平面上，但在此情況特殊，是呈扭曲狀，如此上下兩半方能彼此避開，而不會「打成一片」。
相連的三個六環結構好比是個螺旋，P及M是指螺旋的方向。規則是眼晴自上向下看螺旋，且使螺旋遠離自己，若其旋轉方向是順時針，則以P表示；若以逆時針方向盤旋，則以M表示。圖示如下。
cis及trans是指雙鍵兩頭較大取代基的相對位置，同邊為cis，反邊為trans。在此是指三個相連六環在雙鍵兩頭的相對位置。
ax是axial的縮寫，eq是equatorial的縮寫，是用以描述椅型六員環上所接取代基的位向，ax是垂直於六環面的軸向，eq是指環繞周圍的赤道向，如下圖所示。
在左邊結構中，軸向的取代基為朝上的c,g,k及朝下的b,f,j；赤道向的取代基為a,d,e,h,i,m。
若有足夠的能量，左邊椅型結構可轉變成右邊的樣子，此時軸向取代基為a, d, e, h, i, m，赤道向者為b, c, f, g, j, k，與前述情形完全相反。
要注意的是，不論是軸向或赤道向，朝上與朝下是並沒有改變。a 在左邊結構是處於赤道向，在右邊結構是處於軸向，但都是朝上，畫成平面圖時均應以粗線表示。