諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 世界上最小的機(jī)器

苗千

“如果我們可以隨心所欲地排列原子，物質(zhì)會(huì)具有哪些性質(zhì)？”

物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）在1959年的一次著名的演講《在底層還有很大的空間》（Theres Plenty of Room at the Bottom）中提出了這個(gè)問題。他推繹道：“在理論上這是個(gè)很有趣的問題。我實(shí)在想不到會(huì)發(fā)生些什么，但是我不懷疑，當(dāng)我們可以在極小的尺度下操縱物質(zhì)的排列形式，我們就將可以利用物質(zhì)所展現(xiàn)出來的各種各樣的特性做各種不同的事?！痹诙潭處资曛?，化學(xué)家們已經(jīng)可以合成出各種新奇的分子，并且制造出世界上最小的分子機(jī)器，以一種他未曾想到的方式實(shí)現(xiàn)了他的夢(mèng)想，三位杰出的化學(xué)家也因此獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)的讓-皮埃爾·索維奇（Jean-Pierre Sauvage）、美國(guó)西北大學(xué)的弗雷澤·斯托達(dá)特（J.Fraser Stoddart）和荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·費(fèi)林加（Bernard L.Feringa）（三人各獲得三分之一獎(jiǎng)金）。正是這三位化學(xué)家最先實(shí)現(xiàn)了費(fèi)曼的夢(mèng)想，利用高超的實(shí)驗(yàn)手段，操縱原子的排列形式，合成出新奇的分子，從而設(shè)計(jì)出各種分子機(jī)器。他們的成果不僅對(duì)于基礎(chǔ)化學(xué)研究有巨大的貢獻(xiàn)，拓展了人類對(duì)于化學(xué)的認(rèn)識(shí)，也在未來有著無限的應(yīng)用前景。

我們可能理解一部電梯或是一輛汽車的運(yùn)行原理，但是，如果把這些機(jī)器縮小到納米級(jí)，到了分子的層面，就會(huì)超出人類的想象力了。這種尺寸上的縮小也讓人類更深刻地理解自然界，認(rèn)識(shí)到分子可以有不同的結(jié)合方式——這些成就，都是由化學(xué)家們合成出各種此前在自然界中并不存在的新奇分子開始的。

在20世紀(jì)中期，科學(xué)家們開始合成各種各樣或新奇或復(fù)雜的分子，也開始嘗試著把各種環(huán)形的分子鏈接在一起，創(chuàng)造出全新的分子。分子大多是由構(gòu)成它的各個(gè)原子通過共用電子對(duì)形成“共價(jià)鍵”獲得一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。而兩個(gè)環(huán)形的分子形成一個(gè)鏈條形的分子，讓人類在共價(jià)鍵的形式之外，認(rèn)識(shí)到在分子世界中還存在著另外一種結(jié)合形式：機(jī)械鍵。但是在當(dāng)時(shí)制造這樣的分子太過困難煩瑣，并沒有太大的研究?jī)r(jià)值。

荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·費(fèi)林加

直到20世紀(jì)80年代，索維奇在1983年首先實(shí)現(xiàn)了制造分子機(jī)器的第一步：他把兩個(gè)環(huán)形分子結(jié)合在一起，形成了一個(gè)鏈條，被稱作“輪烷”。對(duì)于一部機(jī)器來說，最重要的一個(gè)因素就是機(jī)器中的一部分必須可以相對(duì)于其他部分自由運(yùn)轉(zhuǎn)。索維奇合成出這種具有機(jī)械鍵的分子，可以說邁出了關(guān)鍵的一步，使人類制造出分子機(jī)器成為可能。

當(dāng)時(shí)索維奇的研究小組正在研究光化學(xué)，他們希望能夠利用陽光中的能量促成化學(xué)反應(yīng)。而當(dāng)他建立一個(gè)光化學(xué)的反應(yīng)模型時(shí)，他發(fā)現(xiàn)這與分子鏈的結(jié)構(gòu)非常相似——兩個(gè)環(huán)形分子圍繞著一個(gè)中央銅離子相互纏繞。索維奇從中得到啟發(fā)，他的研究小組首先合成出一個(gè)環(huán)形分子和一個(gè)半圓形的分子，并且在其中放置了一個(gè)銅離子。被放置在中間的銅離子起到了一種“黏合作用”，可以吸引另外一個(gè)半圓形的分子與之結(jié)合，這樣也就形成了兩個(gè)圓形的分子的相互鏈接。

在1991年，斯托達(dá)特的研究小組做出了建造分子機(jī)器的又一個(gè)突破，以另外一種方式制造出分子發(fā)動(dòng)機(jī)。他的研究小組合成了一種缺少電子的分子環(huán)，又合成出另外一種擁有富余電子的分子“長(zhǎng)軸”。當(dāng)這兩種分子在溶液中相遇，分子環(huán)就會(huì)套在長(zhǎng)軸之上。斯托達(dá)特發(fā)現(xiàn)，通過給這種分子加熱，分子長(zhǎng)軸上的環(huán)形部分就會(huì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，到了1994年，他已經(jīng)可以完全控制這種運(yùn)動(dòng)，成為另外一種分子發(fā)動(dòng)機(jī)的雛形——這種分子可以像電梯一樣運(yùn)轉(zhuǎn)，把自己提升到物質(zhì)表面0.7納米的高處。另外，根據(jù)這種分子的不同狀態(tài)，可以用來表示“0”和“1”兩個(gè)數(shù)字，把它作為某種“分子內(nèi)存”。斯托達(dá)特與合作者就是利用這樣的分子制造出了20KB的分子內(nèi)存。

在此基礎(chǔ)上，費(fèi)林加制造出了“分子發(fā)動(dòng)機(jī)”。他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組合成出一種分子，在紫外線的照射下，這種復(fù)雜分子的一部分可以沿著同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)180度——由此他們很快制造出了一種特殊的分子，一秒鐘可以旋轉(zhuǎn)1.2萬圈。在紫外線提供的動(dòng)力的驅(qū)使下，很多分子發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作，足以旋轉(zhuǎn)體積是自身1萬倍、長(zhǎng)達(dá)28微米的玻璃棒。費(fèi)林加在2011年最終利用這種分子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)出一款納米級(jí)的“分子四驅(qū)車”：在紫外線的照射下，由四個(gè)分子發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成的分子汽車向前行駛。

美國(guó)西北大學(xué)的弗雷澤· 斯托達(dá)特 法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)的讓- 皮埃爾·索維奇

這三位化學(xué)家制造出了世界上最小的機(jī)器。盡管目前對(duì)于分子機(jī)器的研究還處于起步階段，就連這三位化學(xué)家現(xiàn)在也說不清這些分子機(jī)器在未來能有什么樣的應(yīng)用，但毫無疑問的是，他們的基礎(chǔ)性工作為人類打開了一個(gè)全新的工具箱。所有這些發(fā)明的本質(zhì)，都在于他們利用這種全新的機(jī)械性的化學(xué)鍵，合成出各種此前在自然界并不存在的新奇分子，讓分子的一部分可以進(jìn)行循環(huán)往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，從而提供動(dòng)力。

斯托達(dá)特說，化學(xué)家們每天都可以合成數(shù)以千計(jì)的新化合物，每周都會(huì)發(fā)現(xiàn)一兩種新型的化學(xué)反應(yīng)，但是發(fā)現(xiàn)和利用這種新型的化學(xué)鍵卻只發(fā)生過一次，這對(duì)于基礎(chǔ)化學(xué)來說是一次進(jìn)步。費(fèi)林加也評(píng)論說，只要能夠控制分子運(yùn)動(dòng)的方式，那么一切都有可能實(shí)現(xiàn)。科學(xué)家們預(yù)測(cè)，在20至25年之內(nèi)，人類將可以利用各種分子機(jī)器進(jìn)行實(shí)際的工作，從在人體內(nèi)運(yùn)輸藥物和探測(cè)疾病，到制造新型的電腦內(nèi)存，這些分子機(jī)器在未來人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域一定會(huì)有廣泛的用途。