一个分子机器可以只包括一个分子，也可以是一些分子依靠非共价键作用力而组合在一起的超分子体系。这样的分子机器应当在外界输入一定能量时发生类似于机器一样 的运动，或者说，该分子或者超分子体系的各部分之间应该产生相对运动，而且这样的运动必须有较大的幅度，否则将难以为人们所监控和识别。如此看来，许多化学过程对 于构造分子机器都将会是有用的，如异构作用、氧化还原过程、配体的配位与解离，还有氢键的形成和破坏，等等。与宏观的器件和机器一样，分子机器同样需要能量才能进 行运转，因此根据驱动能量种类的不同，分子器件和分子机器也有很多不同的种类。
分子剪刀
光在分子器件和分子机器领域中起着非常重要的作用，原因在于大多数分子器件和分子机器是靠光诱导的过程来提供能量的；光可以“读取”体系状态，从而监视和控制分子机器的运转。光激发的实质是分子基态与激发态之间发生了电子转移，同时伴随着分子构型的改变。
光激发最典型的方法是利用偶氮苯的光致顺反异构性质来完成的。偶氮苯在紫外光的照射下呈现顺式结构，而在可见光的照射下则呈现反式结构。利用偶氮苯的这一光致异构性质可以设计和开发许多具有特殊功能的分子器件和分子机器。
图1：长3nm的分子剪钳工作原理示意图
2007年，日本东京大学教授金原数等人就利用这一特性创造出了世界上最小的剪钳：分子剪钳其结构如上图所示。这把剪钳仅长3nm，是紫色光波长的1/100。但它却像真正的剪钳一样，也是由手柄、枢轴和刀片组成。其中手柄是由含苯基的基团组成，通过偶氮苯连接在一起；枢轴由二茂铁构成，二茂铁是一个具有“三明 治结构”的分子，中心金属铁与两个环戊二烯通过配位键相结合，两个环戊二烯基团能绕着铁原子自由旋转；刀片部分则是由锌卟啉配合物所组成的。操作这把剪钳的“手” 就是光，当可见光照在该剪钳的手柄上以后，偶氮苯呈现反式构象，从而将手柄打开，通过枢轴的联动，将刀片合上；而当紫外光照射在手柄上时，偶氮苯则呈现顺式构象，从而将手柄关闭，通过枢轴的联动，将刀片打开。这把剪钳的作用是通过钳夹其他分子，达到操控分子的目的。而能够完成这样的任务就靠组成剪钳刀片的锌卟啉配合物，利用中心金属锌与客体分子的配位作用等弱相互作用，就可以钳夹其他分子。研究者认为，当剪钳可以像钳子一样牢牢地抓住分子、操控分子，也就是说能来回扭曲分子时，就有可能用于调控基因、蛋白质和人体内的其他分子。这是首个能通过光来操作其他分子的分子机器，这样的工作原理对于未来分子机器人（纳米机器人）的发展有着重要的作用这种能够钳夹分子的分子剪钳很有可能会成为分子机器人的工作臂。
长期以来，科学家一直希望能够研制出纳米尺度的超微型机器，诸如纳米机器人，尽管目前它还只能在科幻小说中呈现，但在化学家眼中，已经初见它的雏形。
分子导线与分子开关
电子线路中最简单的元件是导线。例如，在宏观电子领域中，利用直径为10-2~10-1m 的金属导线可将电输送到工厂和房间里；用直径为10-3m 的导线可以连接电视机及其他电子器件中的一系列子单元；用数量级为10-5m 的导线可以连接电子计算机逻辑电路中的晶体管。如果将导线直径进一步缩小至10-7m 以下即进入了纳米分子世界。这无论在理论上还是在加工上都面临巨大的障碍，因为电子器件的尺寸不可能无限制地缩小。因此，如何克服电子器件的物理极限，促使逻辑运算单元和存储单元的进一步微型化成为微电子领域一个刻不容缓的问题。
分子导线
在众多扮演着电子元件功能的分子器件中，分子导线（molecular wires）是最基本的器件。它像普通导线一样，允许电子由一个器件流向另一个器件，起到连接整个分子电子系统，使之形成完整回路的作用，所以它的研究已受到广泛关注。
图2：分子导线的结构图
分子导线是由单分子或多分子构成的、能够起到传导作用的体系，其传导的对象不仅包括电子还包括光子和离子。卟啉和酞菁类金属配合物常被用来设计与制备分子导线，通过掺杂、引入混合价态金属原子等方法可以得到导电性能介于半导体和导体之间的分子导线。四氮杂环轮烯是卟啉和酞菁的类似化合物，具有许多与卟啉和酞菁相似或相近的性质，同时也具有其独特性：中间的配位孔洞尺寸要小于卟啉与酞菁的；由于甲基和苯并环的相互作用，整个分子具有非平面的马鞍状结构，因此金属进入孔洞后，轴向两侧的配位性能有所区别。另外，四氮杂环轮烯与卟啉和酞菁相比较，具有较高的合成收率，作为卟啉和酞菁的替代化合物，在生物分子（尤其是酶）模拟、导电材料、催化剂、感应器件等领域将发挥越来越重要的作用。
分子开关
对于分子开关，通常有两种截然不同的表述。第一种是将分子开关描述为一种带有分子导线的分子级器件，它可以可逆地调节电子或电子的能量转移的过程，并且对一些 外界刺激作出响应。第二种则是将分子开关与二进制的逻辑门计算联系起来，可以表述为：凡通过外界刺激可以可逆地在两种（或多种）不同状态间发生转化的任何分子体系 都是分子开关。
通过合理地选择分子的组成单元，同时恰当地排列它们，我们能够设计出具有光致电子转移的、分子级别的光电开关。
分子车（纳米车）
美国莱斯大学的 James M.Tour 教授等人通过八年的研发，于2006年利用纳米技术制造出了世界上最小的汽车——纳米车。和真正的汽车一样，这种纳米车拥有能够转动的轮子。只是它们的体积如此之小，即使有两万辆纳米车并列行驶在一根头发上也不会发生交通拥堵。
整辆纳米车对角线的长度仅为3~4nm，比单股的DNA稍宽，而一根头发丝的直径大约是80000nm。车身虽小，但部件齐全。纳米车也拥有底盘、车轴等基本部件。其轮子是由圆形的富勒烯构成，这使得纳米车在外观上看起来像哑铃。它利用一 种三合体做轴，连接每个轮子的轴都能独立转动，使得这种车能够在凹凸不平的原子表面行进。以前也曾有人制造过纳米级的超微型“汽车”。但新问世的这辆“汽车”却与其前辈们有着很大的不同：这辆纳米车首次利用了滚动前进的纳米结构物质，而此前的所谓纳米车只是通过滑动来前进。
Tour 教授曾说：“就是它了，不会再造出更小的分子运输工具了，而且建造一个可以在平面上滚动的纳米工具已经不是什么难题，但是，证明纳米物体可以旋转滚动， 而不是仅仅依靠滑行或者来移动，才是这个工程中最困难的一部分。因此，这项突破是近些年来在微型领域中最重要的一项成果。”这台纳米车的体积十分小，这赋予了它一些特殊的性质，如不受摩擦力影响等，由于它的轮子是由结构紧密的单一分子C60构成的，所以很难分散成单独的碳原子。
图3：分子（纳米）车的结构示意图
这辆纳米车95%的重量都是碳元素，此外还有一些氢原子和氧原子。整个制造过程大致与分子合成药物的步骤相似，分成20步。由于合成步骤多，即使单步合成的收率较高，最终目标化合物的收率仍然很低。
分子大脑
分子器件和分子机器的发展甚至能够推进分子大脑的诞生。此项研究中，日本科学家大有突破，他们设计出了世界上首台大脑分子机器，它可以模仿大脑的工作原理。
此发明能为同时控制许多分子机器提供了一种可能，不仅加快了电脑的运行能力，或许也会让摩尔定律继续有效。迄今为止，这种分子大脑的运算速度是普通晶体管计算机的16倍。但研究人员声称，这项发明的运算速度最终将会比普通晶体管计算机快1000倍。它不仅能充当超级计算机的基础，还可用于控制复杂装置的元件。此分子机器是由 17个杜醌（duroquinone）分子所组成的，结构如下图所示。其中1个杜醌分子居中，充当“控制部”，另外16个分子围绕着它，在金表面上通过π-π堆积自组装而成。杜醌的直径不到1nm，它比可见光波长还要小数百倍。而且，杜醌分子具有六边形，有4个甲基基团和2个碳氧双键，看上去就像一辆小汽车。
研究人员是通过来自扫描隧道显微镜 特别尖的导电针上的电脉冲来调节居中的杜醌分子，从而对此装置进行操作的。由于电脉冲强度的不同，杜醌分子及其环上的取代 基团将出现多种方式的移位。而且居中的杜醌分子与周围的16个杜醌分子之间的连接不牢固，具有一定的柔性，从而导致每一个分子也会出现移位变化。这就如同只要推倒一块就会引发一连串多米诺骨牌倒下的情形一样。另外，也可以想像为1只蜘蛛位于由16根蜘蛛丝编织的蜘蛛网中心，当蜘蛛向某一个方向移动时，每根连接它的蜘蛛丝就会各自感受稍有不同的拖拉。因为对居中杜 醌分子的电脉冲可使其位置发生改变，而该分子与周围16个杜醌分子之间存在着非共价键弱相互作用，所以，居中杜醌分子位置的改变会触动周围16个杜醌分子位置的改变，就像对这16个分子传送了位置改变指令。
图4：由 17个杜醌分子构成的“分子大脑”
研究人员称这一分子机器是受大脑细胞的启发而设计发明的，因为大脑神经细胞有树状一样的放射状神经分枝，每一个分枝都习惯于和其他大脑神经细胞沟通并传输指 令。正是所有这些连接的存在才使得大脑如此强大。由于杜醌环上拥有6个取代基团，本身就有6个不同的配置。再由于此居中杜醌分子还同时控制其他16个分子，从算术上计算，这意味着一个电脉冲信号可以实现6的16次方（结果为数十亿）种不同的结果。相比之下，普通晶体管计算机一次仅能够执行一种指令，或0或1，仅有这两种不同结果。 因此，计算机科学家表示未来几十年巨大的并行处理会革新电脑的思维方式。