ماشین های مولکولی موتورها و دستگاه هایی به قطر موی انسان اند. مقیاسی که شیمیدان ها ماشین آلات مولکولی شان را بر اساس آن می سازند ریزترین مقیاس ها – مقیاس نانومتر است که یک هزار بار کوچک تر از عرض یک تار مو یا یک میلیاردم یک متر است.
موتورها، بالابرها و عضلات مولکولی و حتی ماشین های چهار چرخ مینیاتوری برخی از این دستگاه ها هستند. (تصویر روبرو یک مدل ماشین تک مولکولی است که وقتی از نظر الکترونیکی برانگیخته می شود می تواند بر روی یک سطح مسی حرکت کند.)
شیمیدانان نه تنها تکنیک های ساخت این ماشین های ریز را یاد گرفته اند بلکه می دانند چگونه انرژی مورد نیاز برای به حرکت درآوردن آنها را هم به وجود آورند.
این ماشین های در مقیاس نانو از همین حالا شروع به شکل دادن آینده پزشکی کرده اند: نانوروبات هایی که از میان رگ های خونی فرستاده می شوند و نانوموادی که می توانند بر سلامت اندام های حیاتی نظارت کنند از جمله آنها هستند.
این ماشین ها صحنه را برای صنعت جدیدی آماده کرده اند.
سه دانشمند استاد تکنیک های ساخت این ماشین های مولکولی هستند و بابت آن هم جایزه نوبل شیمی سال 2016 را به دست آوردند.
ماشین مولکولیدر ابتدا جان پیر سوواج (Jean-Pierre Sauvage) اولین گام بزرگ به سمت ایجاد یک ماشین مولکولی را در سال 1983 برداشت. به این ترتیب که دو مولکول حلقوی شکل را به هم متصل کرد تا زنجیره ای تشکیل دهند. یکی از مولکول ها به جای این که در جای خودش ثابت باشد، آزاد بود تا حول دیگری حرکت کند. برای این که یک ماشین قادر به انجام کاری باشد، قطعاتش باید قادر به حرکت نسبت به قطعات دیگر باشند.
سپس سر فریزر استودارت (Sir. J. Fraser Stoddart) در سال 1991 نشان داد که قطعات مولکولی را می توان کنترل کرد. استودارت و گروهش یک حلقه مولکولی را بر روی یک محور مولکولی نازک حرکت دادند و سپس آن را برگرداندند. حلقه به این دلیل اطراف محور باقی می ماند که هم محور و هم حلقه گروه های الکترون مکملی دارند که آنها را کنار هم نگه می دارد و در عین حال این الکترونها به اندازه کافی رها و سست اند که می توانند حرکت کنند. هنگامی که استودارت حرارت را اضافه کرد – با برانگیختن الکترون ها روی بخش های مختلف محور - حلقه شروع کرد به این که به پایین و بالا سر بخورد. این نوع کنترل بر مولکول ها زمینه را برای ایجاد دستگاه هایی مثل بالابر مولکولی، بالا و پایین رفتن و عضله مولکولی ای که می تواند منبسط و منقبض شود ایجاد کرد.
برنارد فرینا (Bernard Feringa) هم از ایده افزودن انرژی برای به وجود آوردن حرکات چرخشی که برای یک موتور واقعی ضروری است استفاده کرد. فرینا در سال 1999 تیغه چرخان مولکولی ای درست کرد که در یک جهت می چرخید و به این ترتیب بر حرکات اصلی تصادفی مولکول ها غلبه کرد. خود فرینا وقتی برای اولین بار حرکت این ماشین مولکولی را دید حیرت زده شد.
موتوری که فرینا درست کرد تا سال 2014 ، با سرعت 12،000 دور در ثانیه می چرخید. این دانشمند همچنین از موتورهایی استفاده کرده است که یک استوانه شیشه ای که 10000 بار بزرگ تر از خود موتور است را می چرخاند. گروهی که با فرینا کار می کردند چند موتور و محور را برای ایجاد یک نانوماشین چهار چرخ به هم متصل کردند.
اما ماشین مولکولی چه تغییری در جهان ایجاد می کند؟ بسیاری از ناظران وضعیتی که اختراع ماشین مولکولی به وجود آورده را به اواخر قرن 19 تشبیه می کنند یعنی زمانی که دانشمندان به تازگی موتورهای بسیار بزرگی که انرژی شان به وسیله برق تأمین می شد را درست می کردند. درنتیجه اختراع آن موتورهای بزرگ امروزه ما مته های قوی، ماشین لباسشویی، اتومبیل ها و ... را داریم. می توان ماشین مولکولی را با کار برادران رایت در ساخت ماشین پرواز مقایسه کرد. مردم آن زمان با خوشحالی به کار برادران وایت واکنش نشان دادند و امروزه ما بوئینگ 747 را داریم.
کاربردهایی که در حال حاضر برای ماشین های مولکولی پیش بینی می شود از روبات هایی که به شکار سرطان در بدن می پردازند تا دستگاه های ریز ذخیره انرژی برای تأمین نیروی مورد نیاز رایانه ها را در بر می گیرد.