世界上最小的機(jī)器
——2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)解析

顧君，孫雨人，龔和貴

上海大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，上海 200444

世界上最小的機(jī)器
——2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)解析

顧君，孫雨人，龔和貴?

上海大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，上海 200444

2016年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart和Bernard L. Feringa三位科學(xué)家, 以表彰他們?cè)谠O(shè)計(jì)與合成分子機(jī)器領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)。本文主要介紹了分子機(jī)器的概念，以及三位科學(xué)家在開拓該領(lǐng)域過程中取得的代表性成果，并對(duì)這一新領(lǐng)域的未來做出了展望。

分子機(jī)器；分子馬達(dá)；索烴；輪烷

自20世紀(jì)初元素周期表問世以來，一幕幕以化學(xué)合成為基礎(chǔ)制備新型功能分子，從而改造自然的壯觀場(chǎng)景得以實(shí)現(xiàn)。一百多年以來，通過以“共價(jià)鍵”連接化學(xué)原子的方法設(shè)計(jì)合成新分子，化學(xué)家們創(chuàng)造出了數(shù)以千萬計(jì)的新化合物和新合成材料，這也幾乎創(chuàng)造了一個(gè)全新的化學(xué)世界?？梢哉f，合成化學(xué)對(duì)于世界文明的進(jìn)程，起到了巨大的推動(dòng)作用。在20世紀(jì)70年代興起的以“非共價(jià)鍵”方式連接分子的方法，則為高效設(shè)計(jì)合成復(fù)雜功能材料提供了一種全新的思路。其特征是分子間的作用力可逆，并對(duì)外部環(huán)境刺激進(jìn)行響應(yīng)。這一領(lǐng)域也被稱為“超分子化學(xué)”，與分子自組裝、分子器件和新興有機(jī)材料的研究息息相關(guān)。由于在超分子化學(xué)理論方面的開創(chuàng)性工作，C. J. Pedersen (佩德森)、J. M. Lehn (萊恩)、D. J. Cram (克來姆)三位化學(xué)家獲得了1987年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

近年來，化學(xué)領(lǐng)域的重大革新卻是在生物和物理等領(lǐng)域完成的。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)經(jīng)?！按蠊珶o私”地頒給生物界或物理界的科學(xué)家，比如2008年化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了偏重于生物學(xué)的研究綠色熒光蛋白的科學(xué)家，2011年化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了偏重于物理學(xué)研究的準(zhǔn)晶體領(lǐng)域的科學(xué)家。

北京時(shí)間2016年10月5日下午5點(diǎn)45分，諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)宣布將今年的化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給J. Jean-Pierre Sauvage(讓-皮埃爾·索維奇)、Sir J. Fraser Stoddart(弗雷澤·斯托達(dá)特爵士)以及Bernard L. Feringa(伯納德·L·費(fèi)林加)，以表彰他們?cè)诜肿訖C(jī)器設(shè)計(jì)和合成方面的貢獻(xiàn)(圖1)。他們分別來自于法國斯特拉斯堡大學(xué)、美國西北大學(xué)以及荷蘭格羅寧根大學(xué)。通過化學(xué)家們自身的改革創(chuàng)新，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)終于又重新回歸傳統(tǒng)的“純化學(xué)”領(lǐng)域。

在獲獎(jiǎng)消息發(fā)布后，有不少同行熱議，這是繼1987年后超分子領(lǐng)域的第二次獲獎(jiǎng)，筆者卻并不完全贊同這種說法。分子機(jī)器雖然和超分子化學(xué)淵源頗深，但不是簡(jiǎn)單的分支和包含的關(guān)系。部分分子機(jī)器的構(gòu)建用到了超分子化學(xué)原理，比如模板合成輪烷和索烴，但是合成得到的輪烷和索烴是分子而非超分子，而且Feringa研究的分子馬達(dá)是有機(jī)小分子，只用到了有機(jī)合成反應(yīng)而不涉及超分子化學(xué)中的“非共價(jià)鍵”相互作用?？梢哉f，分子機(jī)器的研究者們通過自身的不懈努力，已經(jīng)開辟出了一個(gè)屬于他們自己的全新領(lǐng)域。

圖1 2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主(左起：Sauvage、Stoddart、Feringa)

1 分子機(jī)器的概念

你能夠?qū)C(jī)器做到多小？這是杰出的美國物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼(Richard Feynman)在他1984年那場(chǎng)著名演講的開頭提出的一個(gè)問題。這個(gè)問題是基于他在20世紀(jì)50年代對(duì)納米技術(shù)發(fā)展的預(yù)測(cè)而提出來的。

費(fèi)曼堅(jiān)信有可能設(shè)計(jì)出一種機(jī)器，其尺寸可以達(dá)到納米級(jí)別，而這樣的例子在自然界中已然存在了。例如：細(xì)菌的鞭毛就是由螺旋形大分子組成的，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)起來時(shí)就能夠驅(qū)動(dòng)細(xì)菌前進(jìn)。但是，人類是否也可以用他們“巨大”的雙手制造出那種極小的、必須依靠電子顯微鏡才能觀察的微型機(jī)器呢？

一種可能的設(shè)想是我們先制造一雙比我們自身的手小的機(jī)械手，然后用這雙機(jī)械手再制造更小的機(jī)械手，以此類推，直到這雙手足夠小，從而能夠制造分子尺寸的機(jī)器。根據(jù)費(fèi)曼的說法，這一設(shè)想曾經(jīng)嘗試過，但是并沒有成功。相比之下，對(duì)另一種策略費(fèi)曼更有信心，那就是通過更小的部件自下而上逐漸組裝出這種微型機(jī)器。在他的理論設(shè)想中，不同的物質(zhì)，比如硅，被逐層噴灑在一個(gè)表面上，一層原子疊著另一層原子。隨后將其中的某些片層溶解或去除，如此便能夠構(gòu)建出一種能夠用電流驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)部件。費(fèi)曼不知道的是，通往分子機(jī)器道路的第一步其實(shí)已經(jīng)邁出了，只是它并沒有按照費(fèi)曼所設(shè)想的那種路徑發(fā)展。

分子機(jī)器的概念來源于分子生物學(xué)。過去的半個(gè)世紀(jì)中生物學(xué)家們向我們揭示了生命運(yùn)轉(zhuǎn)的許多秘密，而且發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)許多功能的實(shí)現(xiàn)和我們宏觀世界中的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)有著異曲同工之妙。1997年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了Paul D. Boyer、John E. Walker和Jens C. Skou以表彰他們發(fā)現(xiàn)了鈉-鉀泵和ATP合成酶的工作機(jī)制。這些自然界的分子機(jī)器大多數(shù)是蛋白質(zhì)組成的大分子，是大自然經(jīng)過數(shù)十億年的進(jìn)化制造出來的。生物學(xué)家給我們展示了生物大分子機(jī)器的神奇，作為化學(xué)家，我們學(xué)習(xí)自然，理解自然，并希望能用人工的分子模擬自然，最終設(shè)計(jì)出一些自然界中沒有的新物質(zhì)來造福人類。自20世紀(jì)80年代開始，就有一批科學(xué)家致力于設(shè)計(jì)人工合成的小分子機(jī)器，他們通過有機(jī)合成構(gòu)建一些內(nèi)部可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)的小分子來實(shí)現(xiàn)像機(jī)器一樣的功能。Sauvage和Stoddart主要用機(jī)械互鎖分子來實(shí)現(xiàn)分子中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而Feringa用的是位阻烯烴的順反異構(gòu)實(shí)現(xiàn)分子中的轉(zhuǎn)動(dòng)。筆者將在之后的內(nèi)容分別介紹他們的工作。

分子機(jī)器中的一大部分都是機(jī)械互鎖分子。所謂“機(jī)械互鎖分子”就是指一個(gè)分子中至少有兩個(gè)部分之間沒有通過共價(jià)鍵直接相連，但無法在不切斷共價(jià)鍵的情況下將這些部分分開。維系這些部分的鍵被稱為機(jī)械鍵。機(jī)械互鎖分子最常見的兩大類是索烴(catenane)和輪烷(rotaxane)。索烴是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的環(huán)互相扣在一起，而輪烷則是一個(gè)環(huán)穿在一根兩邊封端的軸上。索烴和輪烷可以實(shí)現(xiàn)一些基本的機(jī)械式的運(yùn)動(dòng)，比如索烴中的一個(gè)環(huán)可以繞另一個(gè)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，而輪烷中的環(huán)可以沿著軸平移[1-2](圖2)。

圖2 索烴和輪烷以及可實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)圖示

2 Sauvage和他的金屬離子配位合成索烴策略

在20世紀(jì)中葉，為了開發(fā)更復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，化學(xué)家們開始合成一些分子鏈，其中一些環(huán)狀分子被連接到了一起。成功做到這一點(diǎn)不僅可以創(chuàng)造出一種美妙的全新分子，還將創(chuàng)造出一種全新的化學(xué)鍵。正常情況下，分子是由共價(jià)鍵將原子牢牢連接在一起，相鄰原子之間會(huì)共享一部分電子。當(dāng)時(shí)有種新的設(shè)想則是創(chuàng)造一種機(jī)械鍵——分子之間相互處于機(jī)械鎖定狀態(tài)，而原子之間并不發(fā)生直接相互作用。在二十世紀(jì)五六十年代，幾個(gè)研究組均報(bào)告他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中合成了分子鏈，但是他們得到的量非常少，并且采用的方法極為復(fù)雜，應(yīng)用價(jià)值非常有限。因此這樣的進(jìn)展更多被視作是某種對(duì)于好奇心的滿足而非嚴(yán)肅的化學(xué)進(jìn)展。

在經(jīng)歷數(shù)年的停滯徘徊之后，從1980年開始，整個(gè)研究領(lǐng)域逐漸陷入低迷的困境。然而這樣的境況并未持續(xù)很久——1983年，一項(xiàng)重大的突破性進(jìn)展出現(xiàn)了。由Jean-Pierre Sauvage領(lǐng)銜的一個(gè)法國研究組掌握了對(duì)分子的控制技術(shù)[3-4]，邁出了分子機(jī)器研發(fā)的第一步。他們借助普通的銅離子，成功地將兩個(gè)環(huán)形分子連接起來，形成一根鏈，并將其命名為“索烴”(圖3)。

圖3 索烴的構(gòu)成

正如在我們的研究工作中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)情況，Sauvage的靈感來自于一個(gè)完全不相關(guān)的領(lǐng)域。他的工作專長(zhǎng)是光化學(xué)領(lǐng)域，該領(lǐng)域的化學(xué)家們關(guān)心的是合成某種分子化合物，期望其能夠捕獲太陽光中的能量并利用這些能量驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)過程。當(dāng)Sauvage建立起一種這類化合物的模型之后，他突然意識(shí)到這類分子與分子鏈之間存在的相似性：兩個(gè)分子圍繞一個(gè)中間的銅離子交纏在一起[5]。通常情況下，分子之間通過強(qiáng)共價(jià)鍵這種原子之間共享電子的方式相結(jié)合，但在鏈狀分子中，分子的結(jié)合則是通過可逆“非共價(jià)鍵”結(jié)合。一部機(jī)器要能執(zhí)行任務(wù)，它的各個(gè)組成部分之間必須具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的能力，而這兩個(gè)相互扣合的環(huán)形分子符合這個(gè)要求。

這一發(fā)現(xiàn)讓Sauvage的研究方向發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。利用他的光化學(xué)化合物模型，他的研究組創(chuàng)建出一種環(huán)狀以及一類新月狀分子，并使其被銅離子吸引。在這一結(jié)構(gòu)中，銅離子實(shí)際上提供了某種類似黏合劑的作用，將兩個(gè)不相關(guān)的分子聯(lián)系到一起。緊接著，研究組利用化學(xué)方法將另外一個(gè)新月狀分子黏合上去，從而用兩個(gè)新月狀結(jié)構(gòu)拼接成另一個(gè)圓形分子，如此便得到了環(huán)形分子鏈中的第一個(gè)環(huán)。然后研究組撤走銅離子(因?yàn)樗淹瓿闪怂氖姑?并得到目標(biāo)產(chǎn)物(圖4)。

圖4 Sauvage拿著索烴的分子模型

化學(xué)領(lǐng)域非常注重反應(yīng)的效率，也就是最后合成得到的目標(biāo)分子的量與投入的原料分子的量之間的比值。在此前的研究中，這樣的比值一直很不理想，一般只能達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)，但借助銅離子的幫助，Sauvage的研究組將這一效率提升到了令人印象深刻的42%！突然之間，分子鏈研究已然不再屬于只是滿足人們好奇心的領(lǐng)域了。Sauvage一直活躍在機(jī)械互鎖分子與分子機(jī)器領(lǐng)域直到2012年左右退休，在此期間他做出了很多先驅(qū)性的工作(圖5)。

圖5 1989年Sauvage報(bào)道的分子三葉結(jié)和當(dāng)期雜志的封面

1994年Sauvage研究小組采用一價(jià)銅和二價(jià)銅與兩組聯(lián)吡啶高效配位的方式，將索烴的兩個(gè)環(huán)通過分步合成的方法實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)率制備索烴的新方法，從而為研究它們的性質(zhì)打下了基礎(chǔ)。Sauvage巧妙地利用電化學(xué)控制銅離子氧化和還原價(jià)態(tài)，實(shí)現(xiàn)了索烴中一個(gè)環(huán)相對(duì)另一個(gè)環(huán)做搖擺運(yùn)動(dòng)(圖6)[6-7]。

圖6 1994年報(bào)道的電化學(xué)控制索烴中大環(huán)的搖擺運(yùn)動(dòng)

Sauvage的靈感或許還與他博士期間從事超分子化學(xué)的研究密切相關(guān)。他是超分子大師、1987年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者之一Jean-Marie Lehn教授的第一個(gè)博士生，也是Lehn獲得諾貝爾獎(jiǎng)的研究工作，即穴醚化合物的合成與性質(zhì)研究的關(guān)鍵參與者。

3 Stoddart和他的分子梭與模板合成

Stoddart是較晚介入超分子化學(xué)的科學(xué)家。他的研究背景是基于Haworth(1937年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主，Haworth結(jié)構(gòu)式的發(fā)明人)教授體系的糖化學(xué)來展開的。他的研究生階段和早期工作都是圍繞糖的立體化學(xué)進(jìn)行研究的，并在1971年出版了一本《糖的立體化學(xué)》的專著。這對(duì)他研究機(jī)械互鎖分子中的立體化學(xué)產(chǎn)生了較大的影響。值得一提的是，Sauvage和Stoddart兩位教授在1978年意大利的一次會(huì)議上相識(shí)，并在之后保持了密切聯(lián)系(圖7)。

圖7 Sauvage與Stoddart合影

Stoddart是最早提出采用π-π給體/受體相互作用為模塊制備分子機(jī)器的科學(xué)家。共軛芳環(huán)骨架可以調(diào)控其π電子云密度，使其相對(duì)苯環(huán)成為更富電子或更缺電子的體系。富電子芳環(huán)與缺電子芳環(huán)之間可以形成給/受體作用的超分子復(fù)合物。Stoddart利用這個(gè)原理以兩端有大位阻封端基團(tuán)的線型分子為軸，該軸型分子內(nèi)部含有富電子的對(duì)苯二酚結(jié)構(gòu)可以和缺電子的紫精形成給/受體復(fù)合物，對(duì)紫精部分進(jìn)行關(guān)環(huán)設(shè)計(jì)即可得到環(huán)鎖在軸上的輪烷分子(rotaxane)。Stoddart于1991年用這一策略實(shí)現(xiàn)了最早的分子機(jī)器：一根軸的兩個(gè)不同位點(diǎn)上各有一個(gè)富電子的對(duì)苯二酚，缺電子的紫精環(huán)番環(huán)可以在這兩個(gè)位點(diǎn)自由往返，室溫速度超過1 000次/s，這一機(jī)器也被他本人命名為分子梭[8-10](圖8)。

這之后特別是1994年他們繼續(xù)利用多種不同的輪烴，設(shè)計(jì)了不同功能的分子機(jī)器[11]。例如：分子電梯(圖9)，其上升高度可達(dá)到0.7 nm左右；人造肌肉，成功地彎折了一片很薄的黃金薄片。Stoddart還與其他研究者合作開發(fā)了一種基于輪烴、內(nèi)存為20 kB的計(jì)算機(jī)芯片。這種分子層面的“晶體管”與現(xiàn)有的半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)芯片相比具有儲(chǔ)存信息更強(qiáng)大的明顯優(yōu)勢(shì)。這一研究為分子芯片技術(shù)在未來顛覆現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)成為可能。

圖8 1991年Stoddart發(fā)表的“分子梭”，藍(lán)色的大環(huán)可以沿著軸在兩個(gè)紅色的苯環(huán)上來回隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，速度在室溫下超過了1 000次/秒

圖9 Stoddart的分子升降梯

上述由環(huán)境熱驅(qū)動(dòng)的分子梭是最早的分子機(jī)器原型之一，之后Sauvage和Stoddart又在同一時(shí)間各自報(bào)道了新的引入外部刺激響應(yīng)的分子機(jī)器。Sauvage的工作是通過引入與一價(jià)銅和二價(jià)銅配位能力不同的基團(tuán)控制索烴中大環(huán)的搖擺運(yùn)動(dòng)，而Stoddart是將分子梭中軸上的兩個(gè)等價(jià)基團(tuán)換為不等價(jià)的。采用聯(lián)苯二酚和聯(lián)苯二胺基團(tuán)，由于連苯二胺相對(duì)更加富電子，所以正常情況下紫精環(huán)番大部分都在聯(lián)苯二胺上。當(dāng)加入酸后，質(zhì)子化的聯(lián)苯二胺變成缺電子基團(tuán)，紫精環(huán)番將位移到聯(lián)苯二酚上，當(dāng)PH值恢復(fù)后則又會(huì)重新返回，從而得到了對(duì)PH值響應(yīng)的分子機(jī)器。這一過程同樣也可通過電化學(xué)的控制來實(shí)現(xiàn)。

Stoddart除發(fā)表了超過1 100篇學(xué)術(shù)論文外，還撰寫了兩部專著，一本是關(guān)于糖化學(xué)的研究，另一本則是最近出版的與分子機(jī)器相關(guān)的書籍(圖10)。

圖10 2016年出版的詳述機(jī)械鍵的專著

4 Feringa和他的分子馬達(dá)與納米小車

與其他兩位獲得今年化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家不同的是，F(xiàn)eringa教授博士畢業(yè)后就投身于化工行業(yè)，在Shell公司工作了6年，并在阿姆斯特丹的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室從事過合成、催化、光化學(xué)、生物有機(jī)等項(xiàng)目的研發(fā)工作。但之后他又回到了格羅林根大學(xué)開始獨(dú)立的學(xué)術(shù)工作。Feringa的研究成果大多是關(guān)于傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)，其中相當(dāng)一部分是關(guān)于有機(jī)合成與催化方面的工作。他還對(duì)生物有機(jī)化學(xué)有較大的興趣。這可能與他在工業(yè)界的研究經(jīng)歷有很大關(guān)系。當(dāng)然，他早年對(duì)光化學(xué)的興趣可能對(duì)他開發(fā)出人類目前最小的馬達(dá)(圖11)有較大的關(guān)聯(lián)，當(dāng)然這一成果也為他帶來了諾貝爾獎(jiǎng)的肯定！

特定的烯烴在一定波長(zhǎng)的光激發(fā)下可以進(jìn)行順反異構(gòu)，F(xiàn)eringa根據(jù)這一現(xiàn)象，最初希望采用大位阻的烯烴設(shè)計(jì)一種光響應(yīng)的分子開關(guān)，如1996年在《Science》期刊上發(fā)表的《圓偏振光來控制不同手性烯烴進(jìn)行消旋》的研究工作。與Stoddart教授類似的立體化學(xué)方面的研究背景，使他很快開發(fā)出了“采用更多的立體化學(xué)中心”控制的分子開關(guān)。在1999年的《Nature》上，他發(fā)表了一篇題為《Light-driven monodirectional molecular rotor》的開拓性論文[12]。該文詳細(xì)描述了分子中的雙鍵的一端可以在紫外光照及熱弛豫過程的交替作用下通過順反異構(gòu)實(shí)現(xiàn)其繞雙鍵相對(duì)另一端完成單向360°旋轉(zhuǎn)，成功實(shí)現(xiàn)了將光能和熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而該分子馬達(dá)(motor)的大小不到1 nm(圖12)。

圖11 分子馬達(dá)形象圖

該體系優(yōu)勢(shì)在于合成簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)便地對(duì)分子機(jī)器的不同部位進(jìn)行化學(xué)改造，從而實(shí)現(xiàn)更多更好的功能，特別是通過化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾來調(diào)節(jié)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速(周期從數(shù)年到數(shù)個(gè)納秒)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向等。由于Feringa課題組的堅(jiān)持不懈的努力，更多的突破工作不斷被報(bào)道。例如：2005年他們將分子機(jī)器的一端引入巰基后固定在金的表面，實(shí)現(xiàn)了將溶液中的分子馬達(dá)固化到固態(tài)表面上的突破(圖13)[13]。

另外一個(gè)有趣的工作是他們2011年報(bào)道的納米小車。在分子的四個(gè)角上通過化學(xué)合成分別引入一個(gè)分子馬達(dá)，將分子設(shè)計(jì)成一個(gè)四輪小車形狀的有機(jī)分子，并保持四個(gè)輪子是兩組對(duì)稱性不同的分子馬達(dá)，在外加電場(chǎng)作用下可以使其向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。通過STM觀測(cè)，可以觀察到單分子大致沿著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了納米小車具有與我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降碾妱?dòng)汽車類似的功能(圖14)[14]。

圖12 1999年報(bào)道的光驅(qū)動(dòng)單向分子馬達(dá)

圖13 2005年報(bào)道的固定在金表面的分子馬達(dá)

總的來說，如果Jean-Pierre Sauvage是分子機(jī)器領(lǐng)域第一個(gè)造輪胎的人，那么J. Fraser Stoddart就是第一個(gè)造馬車的人，而Bernard L. Feringa就是第一個(gè)造汽車的人！

5 分子機(jī)器的研究現(xiàn)狀和未來的挑戰(zhàn)

在三位大師獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)之前，分子機(jī)器對(duì)于普通大眾來說是非常陌生的名詞。其實(shí)，即使是在學(xué)術(shù)界，相比當(dāng)下非?；馃岬念I(lǐng)域如鈣鈦礦電池和石墨烯來說，分子機(jī)器也是一個(gè)相對(duì)小眾的研究領(lǐng)域。因?yàn)榉肿訖C(jī)器屬于基礎(chǔ)研究，理念非常超前而且極富挑戰(zhàn)性，所以主攻該方向的研究者并不多。

圖14 2011年報(bào)道的四輪驅(qū)動(dòng)納米小車

如果從費(fèi)曼第一次憧憬分子機(jī)器的1959年算起，分子機(jī)器的研究已經(jīng)經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。1983年Sauvage實(shí)現(xiàn)索烴的合成突破，才真正帶動(dòng)了分子機(jī)器30多年的研究和發(fā)展。經(jīng)過Sauvage、Stoddart、Feringa等先驅(qū)者創(chuàng)造性的探索后，現(xiàn)在已有更多的科學(xué)家參與到分子機(jī)器的研究中來。雖然分子機(jī)器的研究離實(shí)際應(yīng)用的時(shí)間還無法預(yù)測(cè)，但構(gòu)成分子機(jī)器所需要的元件的研究正在快速發(fā)展。這些將其他能量轉(zhuǎn)換成特定機(jī)械功的器件將成為分子機(jī)器的核心部件，并使分子機(jī)器最終在人類治療疾病、修復(fù)病變組織、開發(fā)新材料等領(lǐng)域發(fā)揮作用。Sauvage在2000年左右就發(fā)表了第一個(gè)能做分子肌肉的結(jié)構(gòu)原型，而Stoddart在2005年將分子肌肉結(jié)合在表面上且通過分子肌肉收縮使得表面產(chǎn)生形變，Giuseppone則在2012年將其引入到高分子鏈中，并在2016年發(fā)表了可以伸縮的高分子材料。這些成果使開發(fā)具有真正 “肌肉”功能的高分子材料成為可能。

如果分別以“輪烷”和“索烴”做關(guān)鍵詞檢索文獻(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)于索烴的研究論文數(shù)量已經(jīng)進(jìn)入平臺(tái)期，而輪烷仍然在快速增長(zhǎng)。其中的原因除了有輪烷更方便合成，性質(zhì)更可預(yù)測(cè)外，也是由于基于輪烷的應(yīng)用更多。輪烷的結(jié)構(gòu)為某一種特殊的催化即所謂的“processive catalysis”提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。自然界的許多催化劑都會(huì)形成類似大環(huán)或半環(huán)的結(jié)構(gòu)依附在DNA或者RNA這樣的長(zhǎng)鏈上，一邊沿長(zhǎng)鏈前進(jìn)，一邊完成催化功能。這樣的好處是催化效率高，一個(gè)催化劑分子就可以完成一大段長(zhǎng)鏈上需要催化的反應(yīng)，很適合線性高分子的反應(yīng)。

此次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了尚無廣泛實(shí)際應(yīng)用的分子機(jī)器，筆者相信這是在傳達(dá)一個(gè)信息，讓人們?nèi)ブ匦轮匾暬瘜W(xué)的基礎(chǔ)研究。正如諾貝爾頒獎(jiǎng)委員會(huì)所說，分子機(jī)器也許開啟了人類在一個(gè)新的維度的創(chuàng)造力，并帶給未來無限的可能。

最后，筆者以英國曼切斯特大學(xué)David Leigh教授在頒獎(jiǎng)后發(fā)表在Angew. Chem.上的一篇評(píng)論結(jié)束此文：“本次諾貝爾獎(jiǎng)不是關(guān)于癌癥治療，不是關(guān)于新奇材料，也不是關(guān)于太陽能富集研究。這是授予無窮科學(xué)創(chuàng)造力、開啟科學(xué)智慧、讓我們暢想“如果”的學(xué)科。本次諾貝爾獎(jiǎng)是關(guān)于未來可能為人類帶來什么，并對(duì)從事和接受該方向挑戰(zhàn)的科學(xué)家的一次鼓勵(lì)。費(fèi)曼一定會(huì)支持這次頒獎(jiǎng)的！”[15]

(2016年11月23日收稿)

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(編輯：沈美芳)

The tiniest machine in the world: A brief introduction to the Nobel Prize in Chemistry 2016

GU Jun, SUN Yuren, GONG Hegui
Department of Chemistry, College of Sciences, Shanghai University, Shanghai 200444, China

The Royal Swedish Academy of Sciences decided to award Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa the Nobel Prize in Chemistry 2016 for the design and synthesis of the molecular machines. In this article, we mainly introduced the concept of molecular machine and the achievement of the three scientists. Finally, the current problems and the challenges for future research were presented in this new feld.

molecular machine, molecular motor, catenane, rotaxane

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.06.005

?通信作者，E-mail: hegui_gong@shu.edu.cn