大多数印象中，潜艇大概是像大鱼一样，在海洋中遨游。要么就独狼一样游荡在黑暗的海底，要么就像群狼一样巡航在大洋内。然而，在微观尺度，还有一种独特的“潜艇”，也可以在液体环境中游弋。
美国莱斯大学的化学家们创造了一种单分子潜艇，只包含244原子，通过紫外线驱动，移动起来快得令人难以置信。这个分子每旋转一圈，“潜艇”的尾巴状的“马达”可以推动分子正向移动18纳米。分子潜艇以惊人的速度自旋着，每分钟的自旋次数超过一百万次，并将这种自旋转化为前进的动力。
图片来自：Nano Letters
神奇的“分子潜艇”
“这是有史以来在溶液中移动最快的分子。” 虽然这个分子潜艇最高速度大约每秒不到1英寸，但是在分子尺度这是极快的运动速度。科学家们希望，在未来，纳米尺度的分子潜艇将能够携带药物分子或者能有其他用途。
这种分子潜艇实际上运动起来有点像被可以高速旋转的马达驱动的。一般的大分子在液体环境中的布朗运动本来是杂乱无章的，速度往往也有所局限。但是这种分子潜艇里面的马达部分却可以在光的驱动下运动，比起布朗运动更有优势，还有推动同等大小的分子一起运动。然而现在科学家还无法做到定向驱动这个分子马达。
虽然它们目前还无法转向，该研究证明了分子马达的足够强大，通过移动的分子大致相同的尺寸的解决方案，以驱动子10纳米潜艇。
液体环境中非常拥挤，分子想要定向运动需要很大能量，这就像一个人要穿过一个塞满了人的篮球场。
图片来源：莱斯大学
完美的分子马达
该研究的通讯作者，美国莱斯大学化学系教授 James M. Tour 领导的实验室非常擅长分子机器的设计。十年前，他的实验室向世界介绍了纳米汽车（nanocars），这个单分子的汽车有四个车轮、车轴，而且可以在物体表面跑动起来。
James M. Tour表示，许多科学家已经创造了微小的机器马达，但大多数使用会产生有毒化学物质。该研究的分子马达是由一群荷兰科学家十年前发展起来的分子马达，被证明适合James M. Tour像要做的分子潜艇。这个分子马达的合成需要20步的化学合成。
这些分子电机其实是众所周知的，并用于不同的研究中，但莱斯大学的科学家们是最早提出它们可以被用来推动纳米汽车和纳米潜水艇的。比起真正的螺旋桨，这种分子电机运动更像是一个细菌的鞭毛，可以分四步完成一圈的运动。当有光激发，分子马达上面的双键变成单键，这导致马达会旋转的四分之一圈。分子电机会试图返回到较低的能态，电子会发生传递到相邻的原子，然后分子继续转动，最后又复位到原始状态。只要提供光源，就可以循环往复的转动。
被鞭毛驱动的细菌（图片来自：GIPHY）
潜艇竞速比赛
进行对比测试，该实验室设计了三种潜水艇，一种带着上面提到的旋转马达，一种没有马达，一种带着一种慢马达（像桨一样来回摆动）。受到激光照时，所有版本的潜水艇都可以发出红色荧光。面临的挑战之一是，在马达快速旋转时如何能够不影响荧光的检测。因此他们该转向与北卡罗莱纳州立大学Gufeng Wang助理教授合作来测量不同分子潜艇的移动速度。
之前他们曾使用扫描隧道显微镜和荧光显微镜来观看纳米汽车的运动，但这并不适合分子潜艇的速度测量。因为相比其他两种，旋转的分子潜艇速度更快，很难聚焦在分子上面。
北卡罗莱纳州的团队设计了一种由两个盖玻片夹一滴稀释的乙腈液体的装置，将几个分子潜艇置于这样的环境中。并从该系统的两侧分别照射紫外线（驱动分子马达）和红色激光（让潜艇的“船体”发射荧光）。并使用了特制的共聚焦荧光显微镜来观察潜艇的“船体”发射的荧光信号。在同时他们设法调节红色激光（使用光栅），这样能够每次只追踪一个分子潜艇。
这个神奇的小东西现在虽然还不能够定向驱动前行，但是今后的研究可能让这成为现实。而且如果未来这种分子潜艇可以成功携带药物分子并被紫外线驱动，那么可以在医疗健康领域发挥很大的作用。潜艇虽小，潜力很大哦！