1983年，法国化学家让·皮埃尔·萨维奇（Jean-Pierre Sauvage）和他的合作者建造了第一个蛋白链烷：两个互锁的环，但特殊性是指环是两个分子不是与化学键相关的分子，而是通过其物理结构，例如链条中的链接。Catenanes是纳米机器建造的第一步。该概念是受自然启发的：肌肉纤维或细菌的鞭毛和纤毛是分子电动机，其运动部件的运动部件在提供能量时起作用。
纳米机器的发展是一个增长的领域。2016年，苏瓦奇（Sauvage）和另外两名研究人员被授予诺贝尔化学奖“分子机器的设计和合成”，这些奖项是“世界上最小的机器”，正如新闻稿总结的那样。根据诺贝尔基金会的说法，今天“分子电机与1830年代的电动机处于同一阶段。”但是它有望从生物医学和智能材料到能源和环境的巨大应用。这是纳米机科学中的一些关键里程碑。
天然纳米机器
目前正在开发由纳米运动驱动的纳米机器的科学是基于自然界中这种系统的发现。1973年，发现驱动许多微生物运动的鞭毛是由旋转电动机推动的。真核细胞具有运动蛋白，这些蛋白质实际上是在细胞骨骼（细胞骨架）的细丝上行走的。有些人，例如驱动蛋白，负责细胞中物质货物的运输。其他人，例如肌球蛋白，负责肌肉收缩。涉及的其他细胞系统，例如DNA和RNA处理也包括分子电机，并启发了纳米机学科学。
驱动蛋白负责细胞中物质的货物运输。学分：科学图书馆/盖蒂图像
第一个分子链
机械机器的第一个要求是其零件应该能够一起移动。这就是让·皮埃尔·索瓦奇（Jean-Pierre Sauvage）和他的团队在1983年合成蛋白烷的1983年实现的目标，两个圆形分子之间没有任何化学键，只有一种具有物理构型的拓扑结合。Sauvage并没有像以前那样依赖于随机交织环的化学反应，而是使用了类似于控制DNA双螺旋拓扑的酶的机制。Sauvage的Catenane还不是一台机器，但它确定了要遵循的方法。
1983年，让·皮埃尔·索瓦奇（Jean-Pierre Sauvage）和他的团队合成了蛋白烷，两个圆形分子交织在一起，没有任何化学键。学分：CC BY-SA 3.0
带轴的戒指
苏格兰化学家Fraser Stoddart和他的合作者使用类似于Sauvage的方法在1991年创建了一种Rotaxane。这是一个哑铃形分子，其另一个圆形分子螺纹螺纹在其车轴上。后者可以像车轮一样自由旋转，也沿着车轴移动，轴的末端（重量）作为阻止它滑下的阻止者。Stoddart的Rotaxane可以视为第一分子机器，因为后来可以控制环沿车轴的运动：“分子班车”。2016年，Stoddart与Sauvage分享了诺贝尔化学奖。
Rotaxane是一个哑铃形分子，另一个圆形分子螺纹在其轴上。学分：CC BY-SA 3.0
第一个纳米旋转器
1999年，罗斯·凯利（Ross Kelly）和本·菲林（Ben Feringa）的两组分别建造了分子转子。在同一自然问题上发表，两者都有叶片仅向一个方向移动。凯利（Kelly）移动了120°一次，由化学能源提供动力，而菲林亚（Feringa）连续360°移动，并由光线驱动。Feringa与Sauvage和Stoddart分享了2016年诺贝尔化学奖。
凯利（Kelly）和菲林（Feringa）组创建的分子转子的叶片仅在一个方向上移动。信用：公共领域
最小的引擎
为了创建可以移动的纳米机器，需要在纳米尺度上构建电动机。2011年，塔夫茨大学（美国）的研究人员生产了当时最小的电动机，仅测量一个纳米。它由单个分子在铜表面上的丁基甲基硫化物组成，可以使用电子旋转。十年后，瑞士联邦材料科学和技术实验室的科学家将这一18个原子电机降低至16个原子。它具有乙炔转子（4个原子），其操作跨越了古典物理和量子物理之间的边界。更令人惊讶的是在德国大学（德国）创建的单原子热引擎。它的核心是钙离子，根据其作者的说法，它的作用像燃烧引擎 - 扩展和冷却，收缩和加热，并将温度变化转化为机械能。
纳米级电动机对于创建可以移动的纳米机器至关重要。学分：empa/eurekalert.org
纳米赛车
1998年，由James Gimzewski和CNRS调查员克里斯蒂安·约阿希姆（Christian Joachim）领导的一支团队发明了纳米霍尔（Nanowheel），这是一个三叶螺旋桨形的转子，可以控制以朝任何方向旋转。然后是纳米级：2017年，第一场国际分子赛车在图卢兹（法国）举行，来自法国，瑞士，德国，奥地利 - 美国，日本和美国的六支球队参加。“汽车”具有底盘，车轴和车轮，它们均由大约100个原子构造，并在几个扫描隧道显微镜的观察下在-269°C的真空中以-269°C的真空赛车进行赛车。获胜者是来自巴塞尔大学的瑞士纳米德拉斯特，距离为133纳米。第二版于2022年举行。
2017年纳米赛竞赛中使用的六辆纳米级汽车，这是第一场国际分子汽车比赛。学分：CEMES / CNRS图像
纳米母系
纳米脂肪是生物医学未来的最大胆的赌注之一：穿过血液的纳米机器，到达体内可以输送药物或破坏癌细胞的地方。一个由以色列特拉维夫大学开发的系统，使用了能够重编程或杀死患病细胞的RNA的生物纳米颗粒。来自美国赖斯大学（Rice University）的另一种纳米船员由24个原子组成，并带有一辆由紫外线供电的电动机，该电动机以每分钟超过一百万的转速旋转，达到每秒近一英寸的速度。来自荷兰Eindhoven技术大学的纳米能力可以在整个细胞膜上提供有效载荷，例如药物。
纳米脂肪穿过血液，到达体内可以输送药物或破坏癌细胞的地方。学分：塞缪尔/莱斯大学/eurekalert.or
纳米机
如果有纳米级和纳米母系，为什么不纳米棒呢？实际上，它们也是潜艇，因为它们通过液体旅行，但是在这种情况下，它们使用火箭原理，消耗燃料来推动喷气推进。这些设备中的一些使用碳纳米管作为机身（尽管它们的最终尺寸比“纳米”更“微型”），而过氧化氢则是一种常见的燃料。催化剂释放的氢气泡可以以每秒长度的100倍推动车辆。还设想了体内药物转运蛋白。
纳米芯穿过液体，但使用火箭的原理，消耗燃料以通过喷气推进来推动自己。学分：nils walter/eurekalert.org
DNA纳米机器
DNA的多功能性使其成为制造纳米机器的理想材料：它形成长链并结合互补序列，这些特性可用于制造nubots或核酸的纳米机器人。这项技术已用于制造可以抓住分子的纳米二孔，或者沿着DNA轨道传播的步行者。由美国几所大学创建的一个团队创建的系统由一个DNA Acrobat组成，该杂技向前延伸，使步行者的速度提高了10至100倍。
Toulouse Nanomobile俱乐部法国队的纳米车“绿色越野车”。学分：CEMES / CNRS图像
哈维尔·亚纳斯（Javier Yanes）
@yanes68