研究金属有机骨架的专家希望这些结实的3D骨架能够提供比传统硅晶体管更高密度的分子开关，并且让这些分子开关在转换时更易控制，以便提供超强的数据存储能力。“用科幻的眼光展望，我们希望让每一个分子都可以存储一比特的信息。”勒布说道，“但更现实的想法是让一块包含有上百个分子开关的金属有机骨架材料存储一比特的信息。只要骨架材料上大部分的分子开关都运行良好，它们就可以用来有效地编码数据。”

还有一些科学家利用轮烷来制造可切换型催化剂。2012年，戴维·利在其发表的文章中介绍了一种带有氮原子的轮烷系统。氮原子位于链状分子的中段，即环状分子包围着的位置。当向该系统加入酸性溶液时，环状分子会移向轮烷的一端，将中间的氮原子暴露出来。这时，氮原子就可以作为催化剂去催化某些化学反应。而就在去年11月，戴维·利又将他的研究推进了一步：他设计了一种含有两个不同催化位点的轮烷系统。当环状分子从一端移向另一端时，轮烷的反应活性也会随之改变，因此该系统可以用两种不同的方式来处理体系中的分子混合物。戴维·利现在的研究目标是模拟细胞中的酶——把多种不同的可切换型催化剂投放到同一个溶液体系中，利用它们各自的催化特点，使目标分子能够按照一定的反应顺序生成更加复杂的最终产物。

纳米马达

1999年，第一台分子马达的成功合成又将这一领域的研究向前推进了一大步。分子马达由费林加的团队完成，含有两个相同的“叶片”单元，叶片之间通过碳碳双键加以固定。当用大量的光能打破叶片间的化学键时，叶片便可以旋转起来。尤为关键的是，叶片形状经过特别的设计，可以保证它们只绕同一个方向旋转。因此，只要能提供合适的光能和热能，这台马达便可以持续转动。

费林加用类似的分子马达制造出了四轮驱动的纳米车。在另一项研究中，他在液晶薄膜中掺杂了分子马达，后者可以让液晶薄膜产生足够大的扭曲度，从而使放置在膜上的玻璃棒缓慢转动。这根玻璃棒长达28微米，是马达尺寸的上千倍。

有些化学家认为，尽管分子马达很酷，但最终并不会有什么实际用处。“我对这些人造马达的应用一直持怀疑态度。它们制造起来非常复杂，而且非常难以量产。”德国慕尼黑大学的化学家迪尔克·特劳纳（Dirk Trauner）说道。然而，这些分子机器背后隐藏的化学原理可能会非常有用。基于相同的光切换机理，研究人员已经开发出了大约100种类似药物的化合物，光信号可以使这些化合物开始或停止发挥药理活性。

今年7月，由特劳纳领导的研究小组就发布了一种光敏型康普立停A-4。这是一种有着严重副作用的强效抗癌药，会无差别地攻击肿瘤细胞以及相似的健康细胞，而特劳纳团队制备的可切换型新药能够有效地减少这种副作用：当药物分子处于“关闭”状态时，分子内含有一个氮氮双键，药物在整体上并不具备活性。当用蓝光照射分子，打破氮氮双键之后，双键连接的两部分会发生旋转，使药物分子重新产生活性。特劳纳提到，如果利用柔性导管或是植入性装置来传递光信号，这种靶向控制可以在仅仅10微米大小的人体组织内实现。他的下一步工作，就是利用小鼠对这些新型化合物的抗癌效果进行测试。

特劳纳也希望这些光敏型化合物可以让患有黄斑变性和色素性视网膜炎（这些疾病会破坏眼内的视杆及视锥细胞）的人重见光明。“这是极易实现的，因为病灶位于眼部，你不需要担心如何引入光信号。”特劳纳说道。在去年的实验中，他向盲鼠的眼睛里注射了一种叫DENAQ的光敏型药物分子，使盲鼠在几天的时间里恢复了部分视觉（可以分辨白天与黑夜）。他的团队目前正尝试把这项技术推广到灵长类动物身上，希望在两年之内开展人体试验。

特劳纳和克莱因都认为，这项研究最主要的挑战在于说服谨小慎微的医药行业，让他们相信光敏型药物有着巨大潜力，即便它们还没有人体上的使用记录。特劳纳说：“一旦他们看清了这一领域的价值，我们的研究就能更好地开展下去。”

分子行走装置

早在生物从海洋进化到陆地上之前，细胞内就已形成了一套可自行“行走”的细胞机器。一个经典的例子就是具有双叉形结构的驱动蛋白——在进行物质转运时，它可以沿着细胞内的微管骨架移动。

受驱动蛋白的启发，研究人员利用DNA分子构建了一个人造行走装置。这个分子行走装置起先通过与互补DNA链的结合锚定在固定的轨道上。当在体系中加入竞争性的DNA链后，分子行走装置得以释放并向前行进一步。这一领域最激动人心的例子来自于纽约大学纳德里安·西曼（Nadrian Seeman）于2010年公布的一项研究。他所设计的DNA行走装置有四只“脚”和三只“手”，当这一装置绕着由折叠DNA链组成的方形结构移动时，它可以利用自己的“手脚”搭载金纳米颗粒。

DNA行走器的研究很快就扩展到了其他实验室。但是，如果不给这些行走器安装内置的棘轮系统，使它们可以在必要的时候停下来向后走，那么这些行走器就只能漫无目的地四处游荡。对于大多数分子行走器来说，棘轮系统可以通过控制固定或松开行走器“腿部”的化学反应的相对速率来实现，而前进的驱动力则可以通过布朗运动的推力来提供。

在过去几年中，详细的化学实验研究和分子动力学模拟数据已经证明，前文提及的“布朗棘轮”的概念正是所有化学驱动的分子机器以及很多生物马达运行的重要基础。例如在2013年，密歇根大学安阿伯分校的化学生物学家尼尔斯·瓦尔特（Nils Walter）领导的研究小组就发现，剪接体（spliceosome）也是按照相同的机理工作的。剪接体是在遗传信息被翻译成蛋白质之前，对RNA进行一系列剪接修饰的一种细胞机器。“驱动蛋白正是使用的这样的工作机制，核糖体也是，剪接体也是。”瓦尔特补充道。

上述研究表明，生物机器与人工合成的分子机器实质上遵守着相同的法则。因此，两个领域的研究人员可以在今后的工作中相互取长补短。“就目前来看，两个领域在总体上还是相互独立的，”瓦尔特说，“但我认为如果两个领域内的研究人员能够一起合作，下一个突破一定会到来。”

微米火箭

与此同时，受1966年风靡全球的科幻电影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）中“微型医疗潜艇”的启发，化学家们设计了一个由微米颗粒与导管组成的阵列，这个阵列系统在液体中可以像火箭一样迅猛移动。

这些“微米火箭”的推动力有的来源于自身携带的催化剂，后者可利用周围的液体（通常是过氧化氢水溶液）产生一连串气泡；还有的则是直接利用光能或外加的电磁场来获取能量，而且外加的电磁场还能起到控制方向的作用。“构成‘微米火箭’的这些纳米马达每秒行进的距离是自身长度的1 000多倍，这太让人难以置信了！”加利福尼亚大学圣地亚哥分校的纳米工程师约瑟夫·旺（Joseph Wang）兴奋地说道。他认为该器件最具前景的应用方向是药物的快速释放以及环境污染物的低成本清理。当然，业内的许多专家都谨慎地表示，现在就讨论这些纳米马达的应用是否会比传统的方法更好还为时尚早。

然而，过氧化氢作为一种强氧化剂是不可能在人体内使用的。约瑟夫·旺也坦率地表示：“如果所有的分子推进装置都建立在过氧化氢溶液的环境中，我们确实应该对该领域的前景持怀疑态度。”但就在去年12月，他公布了一种适用于动物活体检测的微米级马达。它由一根长约20微米的塑料导管构成，含有一个锌质的核。马达的动力来自于锌与胃酸反应产生的氢气。

含有马达的导管可以在小鼠的胃中安全推进约10分钟的时间。接下来的实验中，约瑟夫·旺用这些含有马达的导管向小鼠胃部周围的组织运输金纳米颗粒。结果，喂食这些金纳米颗粒-导管复合物的小鼠，其胃粘膜上的金含量要比直接喂食金纳米颗粒的对照组高三倍。由此，约瑟夫·旺认为，如果把药物或成像剂装到微米“火箭”上服用，可以让它们更加快速而有效地到达胃组织内部。“在接下来的五年内，我们会将研究转向实际的体内应用阶段，”约瑟夫·旺说，“这真的会是一趟神奇旅程。”

目前，这些微米级火箭与分子机器的研究还鲜有交叉，但克莱因相信它们之间的联系会越来越多。“比方说，在微型马达的表面结合一个光敏型的分子开关就能