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 و در 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 زیر 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 ۲۰۱۶ را به دست آوردند.
ماشین مولکولی در ابتدا جان پیر سوواج (Jean-Pierre Sauvage) اولین گام بزرگ به سمت ایجاد یک ماشین مولکولی را در سال ۱۹۸۳ 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 ۱۹۹۱ 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 الکترون ها 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 ۱۹۹۹ 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 ۲۰۱۴ ، با سرعت ۱۲،۰۰۰ دور در ثانیه می چرخید. این دانشمند همچنین از موتورهایی استفاده کرده است که یک استوانه شیشه ای که ۱۰۰۰۰ 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 ۱۹ 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 ۷۴۷ 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.