分子マシンとは、分子同士が“機械的結合”で絡み合い、エネルギーを受け取って制御された運動を行うナノサイズの装置です。ソヴァージュは銅イオンを鋳型に使い、二つの輪を絡めたカテナンを高収率で合成しました。ストッダートは電子の引力を利用してリングを軸に通したロタキサンを作り、リングをシャトルのように往復させました。フェリンハは光が当たるたびに一定方向へ回転する分子モーターを設計し、毎秒千万回転以上まで高性能化しています。これらの技術は将来の分子コンピュータ、ドラッグデリバリー、スマート材料などへ応用が期待されています。

受賞者たちは共有結合ではなく“機械的結合”に焦点を当て、トポロジカルに絡み合った分子集合体を自在に構築しました。ソヴァージュのカテナン合成はCu(I)‐phenanthroline錯体によるテンプレート効果を利用し、42％という高収率で輪を絡めることに成功しました。ストッダートはドナー‐アクセプター相互作用を駆動力として輪を軸に通し、ビスタブルなロタキサンを設計して外部刺激による位置制御を実証しました。フェリンハは不斉炭素とスチレン性二重結合の立体障害を組み合わせ、光異性化と熱緩和の2段階で一方向回転を可能にしました。これらの系はエネルギー散逸型であり、非平衡状態を利用して機能を発現する点で生体分子機械と相通じます。近年ではこれらを基盤に分子エレベータ、人工筋肉、ナノカー、分子ロジック素子などが開発され、ナノテク・材料科学・化学生物学の広い分野でプラットフォームとなっています。

ソヴァージュはπ‐アクセプター性phen‐Cu(I)‐phen錯体を核にπ‐π stackingと配位結合を協奏させ、動的自己集合経由で[2]カテナン前駆体を形成し、酸化的環化により機械的結合を固定化した。ストッダートはテトラルタジルカチオン／ヒドロキシナフトキノン系のチャージトランスファー複合体を用いてテンプレート自己組織化させ、末端封止によりビスタブル[2]ロタキサンを合成、pH・電位・光応答シャトリングを実装した。フェリンハはヘリカルキラリティを有するビシクロ[3.3.1]ノナン骨格を導入し、P→Mラセミ間のバリアを光駆動で破りつつ熱的不斉誘起でコナチュアを選択的に経由させ、一方向トルクを創出した。これら機械的分子はSTM・AFM単分子測定で動作が検証され、導電性表面上で自己組織化単分子層への実装も報告されている。非平衡熱力学的観点からは、光・化学燃料を散逸して得られるフリップレート／回転数が動的化学条件と密接に相関し、マイクロスケール系へのメカノケミカルエネルギー伝達の定量モデル構築が進む。今後は化学反応ネットワーク内でのタスク特異的なワークサイクル統合が課題であり、触媒活性・情報処理・エネルギー貯蔵を担う分子機械アンサンブルの設計指針が求められる。