เครื่องจักรระดับโมเลกุลเป็นกลุ่มของโมเลกุลที่โดยทั่วไปอธิบายว่าเป็นการประกอบกันของส่วนประกอบโมเลกุลจำนวนหนึ่งซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อสร้างการเคลื่อนไหวเชิงกลเพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าเฉพาะ โดยเลียนแบบ อุปกรณ์ ระดับมหภาคเช่น สวิตช์และมอเตอร์ เครื่องจักรระดับโมเลกุลที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติหรือทางชีวภาพมีหน้าที่รับผิดชอบกระบวนการมีชีวิต ที่สำคัญ เช่นการจำลองดีเอ็นเอและการสังเคราะห์ ATPไคเนซินและไรโบโซมเป็นตัวอย่างของเครื่องจักรระดับโมเลกุล และมักอยู่ในรูปของสารประกอบโปรตีนหลายชนิด ตัวอย่างของเครื่องจักรระดับโมเลกุลและส่วนประกอบต่างๆ สามารถพบได้ในProtein Data Bank [ ^{2 ] ใน}ช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามที่จะย่อขนาดเครื่องจักรที่พบในโลกมหภาคด้วยความสำเร็จที่แตกต่างกันไป

ตัวอย่างแรกของเครื่องจักรโมเลกุลเทียม (AMM) ถูกรายงานในปี 1994 โดยมีลักษณะเป็นโรแทกเซนที่มีวงแหวนและตำแหน่งการจับ ที่แตกต่างกันสองตำแหน่ง ในปี 2016 รางวัลโนเบลสาขาเคมีได้มอบให้แก่Jean-Pierre Sauvage , Sir J. Fraser StoddartและBernard L. Feringaสำหรับการออกแบบและการสังเคราะห์เครื่องจักรโมเลกุล จุดสำคัญคือการใช้ประโยชน์จากการเคลื่อนไหวที่มีอยู่แล้วในโปรตีน เช่น การหมุนรอบพันธะเดี่ยวหรือการเปลี่ยนไอโซ เมอร์แบบ ซิส-ท รานส์ มีการสร้าง AMM ที่แตกต่างกันโดยการเพิ่มฟังก์ชันการทำงานต่างๆ เช่น การเพิ่มภาวะเสถียรสองสถานะเพื่อสร้างสวิตช์ มีการออกแบบ AMM หลากหลายประเภทที่มีคุณสมบัติและการใช้งานที่แตกต่างกัน บางส่วนได้แก่มอเตอร์โมเลกุลสวิตช์และเกตตรรกะ มีการสาธิตการใช้งาน AMM ที่หลากหลาย รวมถึงการใช้งานที่ บูรณาการเข้ากับ ระบบพอ ลิเมอร์ ผลึกเหลวและผลึกสำหรับการทำงานที่หลากหลาย (เช่นการวิจัยวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธ์และเคมีพื้นผิว )

คำจำกัดความหลายประการอธิบาย "เครื่องจักรระดับโมเลกุล" ว่าเป็นกลุ่มของโมเลกุลที่โดยทั่วไปอธิบายว่าเป็นการประกอบกันของส่วนประกอบโมเลกุลจำนวนหนึ่งซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อสร้างการเคลื่อนไหวเชิงกลเพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าเฉพาะ โดยทั่วไปแล้วคำนี้มักใช้กับโมเลกุลที่เลียนแบบฟังก์ชันที่เกิดขึ้นในระดับมหภาค^{[ 3 ]}ข้อกำหนดหลักบางประการสำหรับโมเลกุลที่จะถือว่าเป็น "เครื่องจักรระดับโมเลกุล" ได้แก่ การมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ความสามารถในการใช้พลังงาน และความสามารถในการทำงาน^{[ 4 ]}เครื่องจักรระดับโมเลกุลแตกต่างจากสารประกอบที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าอื่นๆ ที่สามารถสร้างการเคลื่อนไหวได้ (เช่นไอโซเมอร์ ซิส - ท รานส์ ) ในแง่ของแอมพลิจูดการเคลื่อนไหวที่ค่อนข้างใหญ่กว่า (อาจเนื่องมาจากปฏิกิริยาเคมี ) และการมีสิ่งเร้าภายนอกที่ชัดเจนเพื่อควบคุมการเคลื่อนไหว (เมื่อเทียบกับการเคลื่อนไหวแบบสุ่มเนื่องจากความร้อน ) ^{[ 3 ]} โดยทั่วไปแล้ว วัสดุเพียโซอิเล็กทริกแมกเนโตสตริกทีฟและวัสดุอื่นๆ ที่สร้างการเคลื่อนไหวเนื่องจากสิ่งเร้าภายนอกในระดับมหภาคจะไม่ถูกรวมไว้ เนื่องจากแม้ว่าการเคลื่อนไหวจะมีต้นกำเนิดมาจากระดับโมเลกุล แต่ผลกระทบก็ไม่สามารถนำไปใช้ในระดับโมเลกุลได้

คำจำกัดความนี้โดยทั่วไปใช้กับเครื่องจักรโมเลกุลสังเคราะห์ ซึ่งในอดีตได้รับแรงบันดาลใจจากเครื่องจักรโมเลกุลชีวภาพที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ (เรียกอีกอย่างว่า "นาโนแมชชีน") เครื่องจักรชีวภาพถือเป็นอุปกรณ์ขนาดนาโน (เช่นโปรตีน โมเลกุล ) ในระบบสิ่งมีชีวิตที่แปลงพลังงานในรูปแบบต่างๆ ให้เป็นงานเชิงกลเพื่อขับเคลื่อนกระบวนการทางชีวภาพ ที่สำคัญ เช่นการขนส่งภายในเซลล์การหดตัวของกล้ามเนื้อการสร้าง ATPและการแบ่งเซลล์^{[ 5 ] [ 6 ]}

เครื่องจักรโมเลกุลทางชีวภาพเป็นที่รู้จักและศึกษากันมานานหลายทศวรรษ เนื่องจากมีบทบาทสำคัญในการดำรงชีวิต และเป็นแรงบันดาลใจให้กับระบบที่ออกแบบขึ้นโดยสังเคราะห์ที่มีฟังก์ชันการทำงานที่เป็นประโยชน์คล้ายคลึงกัน^{[ 5 ] [ 6 ]}การเกิดขึ้นของการวิเคราะห์โครงสร้าง หรือการศึกษาคอนฟอร์เมอร์เพื่อวิเคราะห์โครงสร้างทางเคมีที่ซับซ้อน ในช่วงทศวรรษ 1950 ทำให้เกิดแนวคิดในการทำความเข้าใจและควบคุมการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ภายในส่วนประกอบโมเลกุลเพื่อการประยุกต์ใช้เพิ่มเติม ซึ่งนำไปสู่การออกแบบ "เครื่องจักรโปรโตโมเลกุล" ที่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง เช่น การหมุนของวงแหวนอะโรมา ติก ในทริปไทซีน [ ^{8 ] ภายใน}ปี 1980 นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างโครงสร้างที่ต้องการได้โดยใช้สิ่งกระตุ้นภายนอกและนำไปใช้ประโยชน์ในแอปพลิเคชันต่างๆ ตัวอย่างที่สำคัญคือการออกแบบคราวน์อีเทอร์ ที่ตอบสนองต่อแสง ซึ่งมี หน่วย อะโซเบนซีนซึ่งสามารถสลับระหว่าง ไอโซเมอร์ ซิสและทรานส์เมื่อสัมผัสกับแสง และปรับคุณสมบัติการจับไอออนบวกของอีเทอร์ได้^{[ 9 ]}ในการบรรยายสำคัญในปี 1959 เรื่องThere's Plenty of Room at the Bottomริชาร์ด ไฟน์แมนได้กล่าวถึงแนวคิดและการประยุกต์ใช้ของอุปกรณ์ระดับโมเลกุลที่ออกแบบขึ้นโดยการจัดการสสารในระดับอะตอม^{[ 7 ]}เรื่องนี้ได้รับการยืนยันเพิ่มเติมโดยเอริค เดร็กซ์เลอร์ในช่วงทศวรรษ 1970 ซึ่งได้พัฒนาแนวคิดต่างๆ โดยอิงจากนาโนเทคโนโลยีระดับโมเลกุลเช่น "เครื่องประกอบ" ระดับนาโน^{[ 10 ]}แม้ว่าความเป็นไปได้ของมันจะยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ก็ตาม^{[ 11 ]}

แม้ว่าเหตุการณ์เหล่านี้จะเป็นแรงบันดาลใจให้กับสาขานี้ แต่ความก้าวหน้าที่แท้จริงในแนวทางปฏิบัติในการสังเคราะห์เครื่องจักรโมเลกุลเทียม (AMMs) เกิดขึ้นในปี 1991 ด้วยการประดิษฐ์ "โมเลกุลชัตเติล" โดยเซอร์ เฟรเซอร์ สโตดดาร์ท [ ^{12 ] โดย}อาศัยการประกอบโมเลกุลที่เชื่อมโยงกันทางกล เช่นคาเทเนนและโรแทกเซนที่พัฒนาโดยฌอง-ปิแอร์ ซาวาจในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ^{[ 13 ] [ 14 ]}ชัตเติลนี้มีโรแทกเซนที่มีวงแหวนที่สามารถเคลื่อนที่ข้าม "แกน" ระหว่างปลายทั้งสองข้างหรือตำแหน่งการจับ ที่เป็นไปได้ ( หน่วย ไฮโดรควินอน ) การออกแบบนี้ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ที่กำหนดไว้อย่างดีของหน่วยโมเลกุลตามความยาวของโมเลกุลเป็นครั้งแรก^{[ 8 ]}ในปี 1994 การออกแบบที่ได้รับการปรับปรุงทำให้สามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของวงแหวนได้โดย การเปลี่ยนแปลง ค่า pHหรือ วิธีการ ทางเคมีไฟฟ้าทำให้เป็นตัวอย่างแรกของ AMM โดยที่ตำแหน่งการจับสองตำแหน่งคือหน่วยเบนซิดีนและหน่วยไบฟีนอลโดยทั่วไปวงแหวนประจุบวกมักจะชอบอยู่เหนือวงแหวนเบนซิดีน แต่จะเคลื่อนไปยังกลุ่มไบฟีนอลเมื่อเบนซิดีนถูกโปรตอนที่ค่า pH ต่ำหรือหากถูกออกซิไดซ์ ด้วยไฟฟ้า เคมี^{[ 15 ]}ในปี 1998 การศึกษาหนึ่งสามารถจับภาพการเคลื่อนที่แบบหมุนของโมเลกุลเดคาไซคลีนบนพื้นผิวโลหะฐานทองแดงโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบสแกนนิงทันเนลลิ่ง [ ^{16 ] ใน}ช่วงทศวรรษต่อมา มีการคิดค้น AMM หลากหลายชนิดที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าต่างๆ สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน^{[ 17 ] [ 18 ]}ในปี 2016 รางวัลโนเบลสาขาเคมีได้มอบให้แก่ Sauvage, Stoddart และBernard L. Feringaสำหรับการออกแบบและการสังเคราะห์เครื่องจักรโมเลกุล^{[ 19 ] [ 20 ]}

ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา AMMs มีความหลากหลายอย่างรวดเร็ว และหลักการออกแบบ^{[ 4 ]}คุณสมบัติ^{[ 21 ]}และวิธีการกำหนดลักษณะ^{[ 22 ]}ได้รับการอธิบายอย่างชัดเจนยิ่งขึ้น จุดเริ่มต้นที่สำคัญสำหรับการออกแบบ AMMs คือการใช้ประโยชน์จากโหมดการเคลื่อนที่ที่มีอยู่แล้วในโมเลกุล^{[ 4 ]}ตัวอย่างเช่นพันธะเดี่ยวสามารถมองเห็นได้ว่าเป็นแกนการหมุน^{[ 23 ]}เช่น เดียวกับ สารประกอบเมทัลโลซีน^{[ 24 ]}สามารถสร้างรูปทรงโค้งงอหรือรูปตัววีได้โดยการรวมพันธะคู่ซึ่งสามารถเกิดการ ไอโซเมอไรเซชัน แบบซิส- ทรานส์ได้ เมื่อตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้นบางอย่าง (โดยทั่วไปคือการฉายรังสีด้วยความยาวคลื่น ที่เหมาะสม ) ดังที่เห็นได้ในการออกแบบจำนวนมากที่ประกอบด้วย หน่วย สติลเบนและอะโซเบนซีน^{[ 25 ]} ในทำนอง เดียวกัน ปฏิกิริยา การเปิดและปิดวงแหวน เช่นที่พบในสไปโรไพแรนและไดอาริลอีเทนก็สามารถสร้างรูปทรงโค้งได้เช่นกัน^{[ 26 ]}รูปแบบการเคลื่อนที่ทั่วไปอีกอย่างหนึ่งคือการหมุนรอบวงแหวนสัมพันธ์กัน ดังที่สังเกตได้ในโมเลกุลที่เชื่อมต่อกันทางกลไก (โดยหลักคือคาเทเนน) แม้ว่าการหมุนประเภทนี้จะไม่สามารถเข้าถึงได้นอกเหนือจากตัวโมเลกุลเอง (เนื่องจากวงแหวนถูกจำกัดอยู่ภายในกันและกัน) แต่โรแทกเซนสามารถเอาชนะข้อจำกัดนี้ได้ เนื่องจากวงแหวนสามารถเคลื่อนที่แบบแปลตามแกนคล้ายดัมเบลได้^{[ 27 ]} AMM อีกสายหนึ่งประกอบด้วยโมเลกุลชีวภาพ เช่นDNAและโปรตีนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบ โดยใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น การพับ และการคลี่ตัวของโปรตีน^{[ 28 ] [ 29 ]}

การออกแบบ AMM มีความหลากหลายมากขึ้นอย่างมากนับตั้งแต่ยุคแรกเริ่มของสาขานี้ แนวทางสำคัญประการหนึ่งคือการนำภาวะเสถียรสองสถานะมาใช้เพื่อสร้างสวิตช์โมเลกุล ซึ่งมีโครงสร้างที่แตกต่างกันสองแบบสำหรับโมเลกุลที่จะเปลี่ยนไปมาระหว่างกัน สิ่งนี้ถูกมองว่าเป็นก้าวไปข้างหน้าจากโมเลกุลชัตเติลแบบดั้งเดิมซึ่งประกอบด้วยไซต์ที่เหมือนกันสองไซต์สำหรับวงแหวนที่จะเคลื่อนที่ไปมาระหว่างกันโดยไม่มีความชอบใดๆ ในลักษณะที่คล้ายคลึงกับการพลิกวงแหวนในไซโคลเฮกเซน ที่ไม่มีหมู่ แทนที่ หากไซต์ทั้งสองนี้แตกต่างกันในแง่ของคุณสมบัติ เช่นความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสิ่งนี้สามารถก่อให้เกิดไซต์การรับรู้ที่อ่อนหรือแข็งแรงได้เช่นเดียวกับในระบบชีวภาพ — AMM ดังกล่าวได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้ในการเร่งปฏิกิริยาและการส่งยาพฤติกรรมการสลับนี้ได้รับการปรับให้เหมาะสมยิ่งขึ้นเพื่อให้ได้งานที่มีประโยชน์ซึ่งจะสูญเสียไปเมื่อสวิตช์ทั่วไปกลับคืนสู่สถานะเดิม แรงบันดาลใจจากการใช้การควบคุมจลนศาสตร์เพื่อสร้างงานในกระบวนการทางธรรมชาติ มอเตอร์โมเลกุลได้รับการออกแบบให้มีการไหลของพลังงานอย่างต่อเนื่องเพื่อให้อยู่ห่างจากสมดุลเพื่อส่งมอบงาน^{[ 4 ] [ 3 ]}

ในปัจจุบันมีการใช้แหล่งพลังงานต่างๆ เพื่อขับเคลื่อนเครื่องจักรระดับโมเลกุล แต่ในช่วงแรกของการพัฒนา AMM นั้นไม่ใช่เช่นนั้น แม้ว่าการเคลื่อนไหวใน AMM จะถูกควบคุมโดยสัมพันธ์กับการเคลื่อนไหวแบบสุ่มเนื่องจากความร้อนที่พบได้ทั่วไปในโมเลกุล แต่ก็ไม่สามารถควบคุมหรือจัดการได้ตามต้องการ สิ่งนี้จึงนำไปสู่การเพิ่มส่วนประกอบที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าในการออกแบบ AMM เพื่อให้แหล่งพลังงานที่ไม่ใช่ความร้อนจากภายนอกสามารถขับเคลื่อนการเคลื่อนไหวของโมเลกุลและทำให้สามารถควบคุมคุณสมบัติได้ พลังงานเคมี (หรือ "เชื้อเพลิงเคมี") เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจในช่วงเริ่มต้น เนื่องจากมี ปฏิกิริยาเคมี แบบย้อนกลับได้ หลากหลาย (โดยอาศัยเคมีกรด-เบสเป็นหลัก ) เพื่อสลับโมเลกุลระหว่างสถานะต่างๆ^{[ 30 ]}อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้มาพร้อมกับปัญหาในการควบคุมการส่งมอบเชื้อเพลิงเคมีและการกำจัดของเสียที่เกิดขึ้นเพื่อรักษาประสิทธิภาพของเครื่องจักรเช่นเดียวกับในระบบชีวภาพ แม้ว่า AMM บางชนิดจะพบวิธีหลีกเลี่ยงสิ่งนี้ได้^{[ 31 ]}แต่เมื่อไม่นานมานี้ ปฏิกิริยาที่ไม่ก่อให้เกิดของเสีย เช่น ปฏิกิริยาที่เกิดจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนหรือไอโซเมอไรเซชัน ได้รับความสนใจมากขึ้น (เช่น ไวโอโลเจนที่ตอบสนองต่อปฏิกิริยา รีดอกซ์ ) ในที่สุด พลังงานหลายรูปแบบ (ไฟฟ้า^{[ 32 ]}แม่เหล็ก^{[ 33 ]}แสง^{[ 34 ]}และอื่นๆ) ได้กลายเป็นแหล่งพลังงานหลักที่ใช้ในการขับเคลื่อน AMM แม้กระทั่งสร้างระบบอัตโนมัติ เช่น มอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยแสง^{[ 35 ]}

ตาราง AMM ต่างๆ พร้อมภาพประกอบแสดงไว้ด้านล่าง: ^{[ 21 ]}

พิมพ์	รายละเอียด	ภาพ
สมดุลโมเลกุล	โมเลกุลที่สามารถเปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะคอนฟอร์เมชันหรือคอนฟิกูเรชันสองสถานะขึ้นไปเพื่อตอบสนองต่อพลวัตของแรงขับเคลื่อนภายในและระหว่างโมเลกุลหลายประการ[ 36 ] [ 37 ]เช่นพันธะไฮโดรเจน ผลกระทบ โซลโวโฟบิกหรือไฮโดรโฟบิก[ 38 ]ปฏิสัมพันธ์ π [ 39 ]และปฏิสัมพันธ์สเตอริกและการกระจายตัว[ 40 ]คอนฟอร์เมอร์ที่แตกต่างกันของสมดุลโมเลกุลสามารถแสดงปฏิสัมพันธ์ที่แตกต่างกันกับโมเลกุลเดียวกันได้ ดังนั้นการวิเคราะห์อัตราส่วนของคอนฟอร์เมอร์และพลังงานสำหรับปฏิสัมพันธ์เหล่านี้จึงช่วยให้สามารถวัดปริมาณคุณสมบัติที่แตกต่างกันได้ (เช่น ปฏิสัมพันธ์ CH-π หรืออะรีน-อะรีน ดูภาพประกอบ) [ 41 ] [ 42 ]
บานพับโมเลกุล	บานพับโมเลกุลคือโมเลกุลที่สามารถหมุนได้ในลักษณะ คล้ายข้อ เหวี่ยงรอบแกนแข็ง เช่น พันธะคู่หรือวงแหวนอะโรมาติก เพื่อสลับระหว่างโครงสร้างที่ย้อนกลับได้[ 43 ]โครงสร้างดังกล่าวต้องมีรูปทรงเรขาคณิตที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น กลุ่มอะโซเบนซีนในโมเลกุลเชิงเส้นอาจเกิดการไอโซเมอไรเซชัน แบบ ซิส - ทรานส์[ 44 ]เมื่อฉายรังสีอัลตราไวโอเลตทำให้เกิดการเปลี่ยนผ่านที่ย้อนกลับได้ไปยังโครงสร้างโค้งงอหรือรูปตัววี (ดูภาพ) [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]บานพับโมเลกุลได้รับการดัดแปลงสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่นการจดจำนิวคลีโอเบส[ 48 ] การดัดแปลงเปปไทด์[ 49 ]และการแสดงภาพการเคลื่อนที่ของโมเลกุล[ 50 ]
ประตูตรรกะระดับโมเลกุล	โมเลกุลที่ทำการดำเนินการเชิงตรรกะกับอินพุตเชิงตรรกะหนึ่งตัวหรือมากกว่า และสร้างเอาต์พุตเชิงตรรกะเดียว[ 51 ] โมเลกุลเหล่านี้ ซึ่งจำลองมาจากเกตเชิงตรรกะได้ค่อยๆ เข้ามาแทนที่เครื่องจักรแบบซิลิคอนแบบดั้งเดิม มีการประยุกต์ใช้งานหลายอย่าง เช่น การตรวจสอบคุณภาพน้ำ การตรวจสอบ ความปลอดภัยของอาหารการตรวจจับไอออนโลหะ และการศึกษาทางเภสัชกรรม[ 52 ] [ 53 ]ตัวอย่างแรกของเกตเชิงตรรกะระดับโมเลกุลได้รับการรายงานในปี 1993 โดยมีตัวรับ (ดูภาพ) ซึ่งความเข้มของการปล่อยแสงสามารถถือเป็นเอาต์พุตที่ปรับได้ หากพิจารณาความเข้มข้นของโปรตอนและไอออนโซเดียมเป็นอินพุต[ 54 ]
มอเตอร์โมเลกุล	โมเลกุลที่สามารถเคลื่อนที่แบบหมุนรอบทิศทางรอบพันธะเดี่ยวหรือพันธะคู่ และสร้างงานที่มีประโยชน์ได้ (ดังที่แสดงในภาพ) [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]นาโนมอเตอร์ท่อนาโนคาร์บอนก็ได้รับการผลิตขึ้นเช่นกัน[ 58 ]มอเตอร์หมุนพันธะเดี่ยว[ 59 ]โดยทั่วไปจะถูกกระตุ้นด้วยปฏิกิริยาเคมี ในขณะที่มอเตอร์หมุนพันธะคู่[ 60 ]โดยทั่วไปจะขับเคลื่อนด้วยแสง ความเร็วในการหมุนของมอเตอร์ยังสามารถปรับได้ด้วยการออกแบบโมเลกุลอย่างระมัดระวัง[ 61 ]
สร้อยคอโมเลกุล	โมเลกุลที่เชื่อมต่อกันทางกลไกประเภทหนึ่งที่ได้มาจากคาเทเนน ซึ่งมีโครงสร้างหลักของมาโครไซเคิลขนาดใหญ่เชื่อมต่อวงแหวนขนาดเล็กอย่างน้อยสามวงในรูปทรงสร้อยคอ (ดูภาพประกอบ) สร้อยคอโมเลกุลที่ประกอบด้วยมาโครไซเคิลขนาดใหญ่ที่ร้อยด้วย วงแหวน n -1 วง (ดังนั้นจึงประกอบด้วย วงแหวน nวง) จะแสดงเป็น [ n ]MN [ 62 ]สร้อยคอโมเลกุลแรกถูกสังเคราะห์ขึ้นในปี 1992 โดยมีα-ไซโคลเดกซ์ ทรินหลายตัวอยู่ บน โครงสร้างหลักของสายโซ่ โพลีเอทิลีนไกลคอล เส้นเดียว ผู้เขียนเชื่อมโยงสิ่งนี้กับแนวคิดของ "ลูกคิดโมเลกุล" ที่เสนอโดย Stoddart และเพื่อนร่วมงานในช่วงเวลาเดียวกัน[ 63 ]มีการประยุกต์ใช้งานที่น่าสนใจหลายอย่างสำหรับโมเลกุลเหล่านี้ เช่นกิจกรรมต้านแบคทีเรีย[ 64 ]การกำจัด กำมะถันออก จากเชื้อเพลิง[ 65 ]และเพียโซอิเล็กทริก[ 66 ]
ใบพัดโมเลกุล	โมเลกุลที่สามารถขับเคลื่อนของเหลวได้เมื่อหมุน เนื่องจากรูปร่างพิเศษที่ออกแบบโดยเปรียบเทียบกับใบพัดขนาดใหญ่ (ดูภาพแผนผังทางด้านขวา) มีใบพัดขนาดโมเลกุลหลายใบติดอยู่ที่มุมเอียงที่แน่นอนรอบเส้นรอบวงของเพลาขนาดนาโน[ 67 ] [ 68 ]ใบพัดได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีคุณสมบัติที่น่าสนใจ เช่น การเปลี่ยนแปลงอัตราการสูบฉีดสำหรับของเหลวที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำ[ 69 ]
โมเลกุลขนส่ง	โมเลกุลที่สามารถเคลื่อนย้ายโมเลกุลหรือไอออนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ ภาพด้านขวาแสดงให้เห็นอย่างคร่าวๆ ว่าวงแหวน (สีเขียว) สามารถจับกับตำแหน่งสีเหลืองตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งบนโครงสร้างหลักของมาโครไซคลิกสีน้ำเงินได้[ 70 ]โมเลกุลที่เคลื่อนย้ายได้ทั่วไปประกอบด้วยโรแทกเซน ซึ่งมาโครไซคลิกสามารถเคลื่อนที่ระหว่างสองตำแหน่งหรือสถานีตามโครงสร้างหลักของดัมเบล การควบคุมคุณสมบัติของแต่ละตำแหน่งและการควบคุมสภาวะต่างๆ เช่น pH สามารถควบคุมได้ว่าตำแหน่งใดจะถูกเลือกสำหรับการจับ สิ่งนี้นำไปสู่การประยุกต์ใช้ใหม่ๆ ในด้านการเร่งปฏิกิริยาและการส่งยา[ 70 ] [ 71 ]
สวิตช์ระดับโมเลกุล	โมเลกุลที่สามารถเปลี่ยนสถานะระหว่างสองสถานะหรือมากกว่านั้นได้อย่างย้อนกลับได้เพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าบางอย่าง การเปลี่ยนแปลงสถานะนี้ส่งผลต่อคุณสมบัติของโมเลกุลตามสถานะที่มันครอบครองอยู่ในขณะนั้น ต่างจากมอเตอร์โมเลกุล งานเชิงกลใดๆ ที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ในสวิตช์โดยทั่วไปจะถูกยกเลิกเมื่อโมเลกุลกลับคืนสู่สถานะเดิม เว้นแต่จะเป็นส่วนหนึ่งของระบบที่คล้ายมอเตอร์ขนาดใหญ่ ภาพทางด้านขวาแสดง สวิตช์ที่ใช้ ไฮดราโซนซึ่งเปลี่ยนสถานะเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงค่า pH [ 72 ]
แหนบโมเลกุล	โมเลกุลโฮสต์ที่สามารถยึดสิ่งของไว้ระหว่างแขนทั้งสองข้างได้[ 73 ]ช่องว่างที่เปิดอยู่ของแหนบโมเลกุลจะยึดสิ่งของโดยใช้พันธะที่ไม่ใช่โคเวเลนต์ รวมถึงพันธะไฮโดรเจน การประสานงานของโลหะ แรงไฮโดรโฟบิกแรงแวนเดอร์วาลส์ปฏิกิริยาπหรือผลกระทบทางไฟฟ้าสถิต[ 74 ]ตัวอย่างเช่น ภาพทางด้านขวาแสดงให้เห็นแหนบที่เกิดจาก คีม คอรันนูลีนจับ โมเลกุล ฟูลเลอรีน C60ซึ่งเรียกว่า "บัคกี้แคทเชอร์" [ 75 ]มีรายงานตัวอย่างของแหนบโมเลกุลที่สร้างจาก DNA และถือว่าเป็นเครื่องจักร DNA [ 76 ]
นาโนคาร์	ยานพาหนะระดับโมเลกุลเดี่ยวที่มีลักษณะคล้ายรถยนต์ขนาดใหญ่และมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจวิธีการควบคุมการแพร่กระจายของโมเลกุลบนพื้นผิว ภาพด้านขวาแสดงตัวอย่างที่มีล้อทำจากโมเลกุลฟูลเลอรีน รถนาโนคันแรกถูกสังเคราะห์โดยJames M. Tourในปี 2548 โดยมีตัวถังรูปตัว H และล้อระดับโมเลกุล 4 ล้อ ( ฟูลเลอรีน ) ติดอยู่ที่มุมทั้งสี่[ 77 ]ในปี 2554 Feringa และเพื่อนร่วมงานได้สังเคราะห์รถนาโนแบบมีมอเตอร์คันแรก ซึ่งมีมอเตอร์ระดับโมเลกุลติดอยู่กับตัวถังเป็นล้อหมุน[ 78 ] ผู้เขียนสามารถสาธิตการเคลื่อนที่แบบมีทิศทางของรถนาโนบนพื้นผิวทองแดงได้โดยการให้พลังงานจากปลายกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนอุโมงค์ ต่อมาในปี 2560 การแข่งขันรถนาโนครั้งแรกของโลกได้จัดขึ้นที่เมืองตูลูส[ 79 ]

เครื่องจักรระดับโมเลกุลขนาดใหญ่จำนวนมากพบได้ภายในเซลล์ มักอยู่ในรูปของ สารประกอบ โปรตีนหลายชนิด^{[ 80 ]}ตัวอย่างของเครื่องจักรทางชีวภาพ ได้แก่โปรตีนมอเตอร์เช่นไมโอซินซึ่งมีหน้าที่ในการหดตัวของกล้ามเนื้อไคเนซินซึ่งเคลื่อนย้ายสิ่งของภายในเซลล์ออกจากนิวเคลียสไปตามไมโครทูบูลและไดเนอินซึ่งเคลื่อนย้ายสิ่งของภายในเซลล์ไปยังนิวเคลียสและทำให้เกิดการเต้นของแกนกลางของซีเลียและแฟลเจลลา ที่เคลื่อนที่ ได้ "[ในทางปฏิบัติ ซีเลียที่เคลื่อนที่ได้] เป็นนาโนแมชชีนที่ประกอบด้วยโปรตีนมากกว่า 600 ชนิดในสารประกอบโมเลกุล ซึ่งหลายชนิดยังทำหน้าที่เป็นนาโนแมชชีนอย่างอิสระ ... ตัวเชื่อมที่ยืดหยุ่นช่วยให้โดเมนโปรตีนที่เคลื่อนที่ได้ ซึ่งเชื่อมต่อกันสามารถดึงดูดคู่พันธะและเหนี่ยวนำ อัลโลสเตอรีระยะไกลผ่านพลวัตของโดเมนโปรตีน " ^{[ 81 ]}เครื่องจักรชีวภาพอื่นๆ มีหน้าที่ในการผลิตพลังงาน เช่นATP synthaseซึ่งใช้พลังงานจากความแตกต่างของโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อขับเคลื่อนการเคลื่อนที่คล้ายกังหันที่ใช้ในการสังเคราะห์ATPซึ่งเป็นสกุลเงินพลังงานของเซลล์^{[ 82 ]}นอกจากนี้ยังมีเครื่องจักรอื่นๆ ที่มีหน้าที่ในการแสดงออกของยีนได้แก่DNA polymeraseสำหรับการจำลอง DNA, RNA polymeraseสำหรับการผลิตmRNA , spliceosomeสำหรับการกำจัดอินทรอนและribosomeสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนเครื่องจักรเหล่านี้และพลวัตระดับนาโน ของพวกมัน มีความซับซ้อนมากกว่าเครื่องจักรระดับโมเลกุลใดๆ ที่สร้างขึ้นโดยมนุษย์จนถึงปัจจุบัน

เครื่องจักรชีวภาพมีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในนาโนเวชศาสตร์ [ ^{83 ] ตัวอย่าง}เช่น สามารถใช้เพื่อระบุและทำลายเซลล์มะเร็งได้^{[ 84 ] [ 85 ]}นาโนเทคโนโลยีระดับโมเลกุลเป็น สาขา ย่อยเชิงคาดการณ์ของนาโนเทคโนโลยีเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการสร้างเครื่องประกอบระดับโมเลกุลซึ่งเป็นเครื่องจักรชีวภาพที่สามารถจัดเรียงสสารใหม่ในระดับโมเลกุลหรืออะตอมได้นาโนเวชศาสตร์จะใช้หุ่นยนต์นาโน เหล่านี้ ที่นำเข้าสู่ร่างกายเพื่อซ่อมแซมหรือตรวจจับความเสียหายและการติดเชื้อ แต่สิ่งเหล่านี้ถือว่ายังเกินขีดความสามารถในปัจจุบัน^{[ 86 ]}

ความก้าวหน้าในด้านนี้ถูกจำกัดด้วยการขาดวิธีการสังเคราะห์^{[ 87 ]}ในบริบทนี้ การสร้างแบบจำลองเชิงทฤษฎีได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการทำความเข้าใจ กระบวนการ ประกอบหรือแยกส่วนด้วยตนเองในระบบเหล่านี้^{[ 88 ] [ 89 ]}

มีการสาธิตการใช้งานที่เป็นไปได้สำหรับ AMMs รวมถึงการรวมเข้ากับระบบพอลิเมอร์ [ ^{90 ] [ 91 ] ผลึก}เหลว [ ^{92 ] [ 93 ] และ}ระบบผลึก^{[ 94 ] [ 95 ]}สำหรับฟังก์ชันที่หลากหลายการเร่งปฏิกิริยาแบบเอกพันธ์เป็นตัวอย่างที่โดดเด่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านต่างๆ เช่นการสังเคราะห์แบบไม่สมมาตรโดยใช้ปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์และการเร่งปฏิกิริยาแบบอัลโลสเตอริกเลียนแบบ ชีวภาพ ^{[ 96 ] [ 97 ]} AMMs มีบทบาทสำคัญในการออกแบบวัสดุอัจฉริยะที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าหลายชนิด เช่น วัสดุประกอบตัวเองแบบ 2 มิติและ 3 มิติ และ ระบบที่ใช้ สารอนุภาคนาโนสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่การพิมพ์ 3 มิติ ไป จนถึงการส่งยา^{[ 98 ] [ 99 ]}

AMM กำลังค่อยๆ เคลื่อนตัวจากเคมีเฟสสารละลายแบบดั้งเดิมไปสู่พื้นผิวและส่วนต่อประสาน ตัวอย่างเช่น พื้นผิวที่ตรึง AMM (AMMIS) เป็นวัสดุฟังก์ชันประเภทใหม่ที่ประกอบด้วย AMM ที่ยึดติดกับพื้นผิวอนินทรีย์ซึ่งก่อให้เกิดคุณสมบัติเช่นโมโนเลเยอร์ที่ประกอบตัวเอง ซึ่งทำให้เกิดคุณสมบัติที่ปรับแต่งได้ เช่น การเรืองแสง การรวมกลุ่ม และกิจกรรมการปลดปล่อยยา^{[ 100 ]}

แอปพลิเคชันส่วนใหญ่เหล่านี้ยังคงอยู่ในระดับการพิสูจน์แนวคิด ความท้าทายในการปรับปรุงแอปพลิเคชันขนาดใหญ่ ได้แก่ การทำงานอัตโนมัติ ความซับซ้อนของเครื่องจักร ความเสถียรในการสังเคราะห์เครื่องจักร และสภาพการทำงาน^{[ 3 ] [ 101 ]}

• เคมีระดับเหนือโมเลกุล
• เทคโนออร์แกนิก