2016年10月5日，諾貝爾化學(xué)獎揭曉。由于在“分子機器的設(shè)計和合成”方面的突出貢獻，來自美國、法國和荷蘭的三位科學(xué)家共同獲得了這一殊榮。
三位獲得2016年諾貝爾化學(xué)獎的科學(xué)家讓-皮埃爾·索維奇、弗雷澤·斯托達特、伯納德·費林加（從左至右）
世界上最小的機器
用一句話來描述這項科學(xué)成就，就是三位科學(xué)家開發(fā)了世界上最小的機器。小到什么程度呢？只有人類頭發(fā)的千分之一大小。他們成功地將分子連在一起，共同設(shè)計了包括微型電梯、微型電機、人工肌肉等在內(nèi)的所有分子機器。
新科得主荷蘭化學(xué)家伯納德·費林加在一次采訪中曾這樣闡述他們的研究與創(chuàng)造的意義：也許化學(xué)的力量不僅在于理解，更在于創(chuàng)造，制造出前所未有的分子和材料。
費林加（前排左六）和他的實驗室成員，在得知獲獎消息時的合影
分子機器發(fā)展階段的三級跳
第一階段：1983年，索烴，非生物分子機器的最初雛形。
通常情況下，分子們是被強力的共價鍵維系的，原子在其中共享電子。而學(xué)光化學(xué)的讓-皮埃爾·索維奇發(fā)現(xiàn)光化學(xué)分子模型與分子鏈有相似之處——一個核心銅離子周圍纏著兩個分子。于是，他的研究組構(gòu)建了一個環(huán)狀的分子和一個新月形的分子，并用銅離子作為凝聚力使兩個分子聚攏，再用化學(xué)手段將它們 “焊接”到一起，移走銅離子后就組成了第一個分子環(huán)扣——索烴。這是非生物分子機器的最初雛形。
第二階段：1991年，輪烷，分子機器誕生的第二步。
1991年，弗雷澤·斯托達特的團隊造出了一個缺電子的“開環(huán)”，和一根兩處富集電子長棒——“輪軸”。二者相遇時，“缺電子”和“富電子”自然就會彼此吸引，于是環(huán)被套進了軸上，他們得到了“輪烷”——一個套在軸上并能在兩個富電子部分之間前竄后跳的環(huán)狀分子。當(dāng)他們能完全控制“輪烷”的運動后，許多分子機器，包括電梯、人造肌肉、分子芯片等被創(chuàng)造出來。分子芯片與現(xiàn)有的計算機芯片相比，后者簡直就是龐然大物，前者則為人們提供更小更強大的計算機處理系統(tǒng);而人造肌肉甚至可以把一塊非常薄的金箔弄彎。
第三階段：1999年，分子馬達，分子機器動起來了。
讓分子機器高效運作起來的是荷蘭人伯納德·L·費林加研發(fā)的分子馬達。正常情況下，分子的運動是隨機的，一個旋轉(zhuǎn)的分子向左與向右轉(zhuǎn)動的概率大體相同，制造出能夠在同一方向上持續(xù)旋轉(zhuǎn)的馬達對于分子機械工程來說是重要的目標。1999年，費加林通過機械構(gòu)建，設(shè)計出了一種小旋翼葉片般的分子，每個葉片分別與一個甲基相連，它們和葉片一起如同齒輪般運作，迫使分子只朝一個特定方向旋轉(zhuǎn)，這就是第一個分子馬達。費林加使用分子馬達轉(zhuǎn)動了比馬達本身大一萬倍的玻璃圓筒，還制造了一個“四輪驅(qū)動”納米車——一個分子底盤將四個馬達聯(lián)結(jié)在一起，當(dāng)作車輪使用。當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)時，納米車就在表面上向前行駛。經(jīng)過不斷的優(yōu)化。2014年分子馬達的旋轉(zhuǎn)速度已經(jīng)達到了每秒1200萬轉(zhuǎn)。
控制分子活動的技術(shù)
發(fā)布會上，諾貝爾化學(xué)獎評獎委員會成員奧洛夫形容分子機器“充滿能量”，“掌握了如何控制分子活動的技術(shù)”。就像19世紀30年代，當(dāng)電動馬達被發(fā)明出來時，科學(xué)家未曾想過它會在電氣火車、洗衣機、電風(fēng)扇上等被廣泛運用。而分子機器正如當(dāng)年的電動馬達一樣，未來很有可能將用于開發(fā)新材料、新型傳感器和能量存儲系統(tǒng)等。分子機器在未來最有可能被用于新材料，傳感器和能量儲存等領(lǐng)域。
費林加教授表示，“一旦在分子層面控制了運動，就為控制其他各種形式的運動提供了可能。這一研究成果為未來新材料的研發(fā)開啟了廣闊前景。雖然目前分子機器的實際應(yīng)用仍處在早期階段，隨著分子機器技術(shù)的發(fā)展，將來利用分子機器制造的微型汽車，甚至人造機器人將會被廣泛運用于醫(yī)療領(lǐng)域。”
資料來源：新華網(wǎng)，人民網(wǎng)等
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