在奥地利格拉茨大学的一间地下室里，堆放着一堆钢罐和结满冰霜的管道。这个装置，一台扫描隧道显微镜，可以拍摄单个原子和分子的照片。它非常灵敏，以至于在晚上工作效果最佳，那时没有人走动、说话或以其他方式震动建筑物。
机器旁边的电脑显示器显示了排列在铜表面上的微小心形斑点的图像。“心形”是单个分子：准确地说是二甲苯基-ATI分子。今年早些时候，显微镜实验室的化学家 Grant Simpson 一直在摆弄它们，希望它们可以像微小的机械开关一样工作。
但他发现的东西却更加有趣。当用带电的显微镜尖端激发时，分子会跳跃——但它们不是随意乱跳。“不知何故，”辛普森说，“我慢慢意识到，它们只朝一个方向移动。”
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这种跳跃的心形分子是一种全新的分子纳米马达——一种微型机器，它消耗能量来有目的地对抗熵潮，熵潮不断地将微观世界拉入随机、无用的运动中。一些人造纳米马达可以原地旋转，但很少有纳米马达能够可靠地从 A 点移动到 B 点。最近在Nature杂志上描述的这种新型马达的机械魔力，来自于分子与其移动的铜表面之间的相互作用——就像火车头的部分部件既在车厢内又嵌入在轨道中一样。
这是朝着以自然的方式构建事物（自下而上，逐个原子）的纳米技术梦想迈出的一小步但意义重大的一步。“如果我们制造一把椅子，我们会砍倒一棵树，”辛普森在格拉茨大学的同事、物理学家莱昂哈德·格里尔说。“大自然的做法却恰恰相反。大自然生长树木。” 开发微型机器的研究人员设想使用它们来创造新型材料，为工业催化增压，并像真正的酶一样灵活地操纵生物组织。
曼彻斯特大学的化学家大卫·李（David Leigh）说：“小型化始终推动着技术的进步。” 但他解释说，纳米技术的问题在于，“宏观世界”中熟悉的力学原理根本不适用于分子层面。在如此微小的尺度上，随机性起主导作用。如果温度、能量和压力等特性保持稳定，那么小规模过程（包括化学反应或粒子运动）在每个方向上发生的可能性都相同。在纳米尺度上从 A 移动到 B 就像掷骰子，并根据结果向前、向后或侧向迈步。“你不能在纳米技术中使用牛顿力学，”李说。“这基本上排除了我们在过去 5000 年文明中建立起来的所有工程工艺。”
那么，为什么科学家认为应该有可能开发纳米级机械呢？李说，答案是已经有一个成熟且有效的例子，那就是“生物学”。细菌鞭毛的复杂天然酶，动物肌肉的抽搐以及细胞线粒体中化学能量的合成，都是分子机器。
1999 年，科学家合成了第一个真正的分子纳米马达，一种光驱动旋转马达，后来获得了诺贝尔化学奖的认可。从那时起，科学家们开发了更多不同类型的具有不同功能的马达。格罗宁根大学的化学家 Nathalie Katsonis 和她的同事最近将数万亿个纳米转子粘合在一起并同步它们，以物理方式移动宏观聚合物。李和他的同事们开发了旋转纳米马达，与生物酶一样，它们通过利用马达本身催化的化学反应中的能量来运动。
但旋转马达原地旋转；像轨道上的火车一样直线运动的分子马达已被证明更难构建。一些研究人员合成了环形分子，这些分子可以旋转并沿着哑铃形支架滑动。还有 DNA“步行者”，它们有腿，通过迈步来移动，就像一些生物马达蛋白一样。但 DNA 步行者相对笨重（并非严格意义上的“纳米”，李说），并且只能沿着预制的核酸轨道迈出几步。然而，新型心形马达只有几个纳米宽，只要表面不中断，它就会沿着铜原子轨道不断跳跃。
辛普森和格里尔主要是在偶然情况下发现了这种马达——格里尔说，这是“纯粹的意外发现”。科学家最初对二甲苯基-ATI 分子如何在其两个氮原子之间来回抛掷其氢原子感到好奇，科学家认为这种行为可以使其用作纳米级开关。经过多年的工作，辛普森尝试将分子沉积在一种特殊的铜表面上，其中原子排列成线性行。令他惊讶的是，一股电流脉冲使心形分子沿着铜轨道跳跃。然后，研究人员证实，分子仅在一个方向上移动，甚至可以像纳米级推土机一样推动其他粒子。
Katsonis 说，这种新型马达是一种“能量棘轮”，她没有参与这项研究。它利用能量（此处为电流脉冲）在两种状态之间切换，每种状态都具有一组不同的能量可能性。冲击分子使其猛然跃入更激发的状态，在这种状态下，沿着铜轨向前移动是有利的。当分子回落到其原始的、未激发的状态时，它会沿着轨道向前跳跃一步。
Katsonis 说：“在我看来，它有趣有两个原因。” 首先，分子与比自身更大的东西相互作用，在这种情况下是一个表面。其次，它们沿着原子轨道直线运动——她说，这是掌握纳米尺度定向运动的关键。毕竟，生物学的许多线性分子马达通常沿着支架 strut 以朝正确的方向行进。
李说：“这真的很好，因为它只是在一个非常简约的系统中进行一维、定向的运动。” 新型能量棘轮可能不会很快推动纳米机器人或逐个原子地组装一棵树。但它可以很容易地用扫描隧道显微镜进行研究，使其成为未来能量棘轮、轨道和定向运动实验的完美测试系统——Katsonis 和 Leigh 说，这是朝着正确方向迈出的一大步。