他們?nèi)话l(fā)明了世上最小的機(jī)器

瑞典皇家科學(xué)院10月5日宣布，將2016年諾貝爾化學(xué)獎授予讓-皮埃爾·索瓦日、弗雷澤·斯托達(dá)特、伯納德·費林加這三位科學(xué)家，以表彰他們在分子機(jī)器設(shè)計與合成領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。

讓-皮埃爾·索瓦日出生在法國，目前在法國斯特拉斯堡大學(xué)工作；弗雷澤·斯托達(dá)特出生在英國，目前在美國西北大學(xué)工作；伯納德·費林加出生在荷蘭，目前在荷蘭格羅寧根大學(xué)工作。

瑞典皇家科學(xué)院常任秘書戈蘭·漢松于當(dāng)?shù)貢r間11時45分（北京時間17時45分）在皇家科學(xué)院會議廳公布了獲獎?wù)呙麊渭矮@獎成就。

分子機(jī)器是指在分子層面的微觀尺度上設(shè)計開發(fā)出來的機(jī)器，在向其提供能量時可移動執(zhí)行特定任務(wù)。諾貝爾獎評選委員會在聲明中說，這三位獲獎?wù)甙l(fā)明了“世界上最小的機(jī)器”，將化學(xué)發(fā)展推向了一個新的維度。

據(jù)介紹，三位獲獎?wù)咄瓿闪朔肿訖C(jī)器設(shè)計與合成的“三步走”：第一步，索瓦日成功合成了一種名為“索烴”的兩個互扣的環(huán)狀分子，而且這兩個分子能夠相對移動；第二步，斯托達(dá)特合成了“輪烷”，即將一個環(huán)狀分子套在一個啞鈴狀的線形分子軸上，且環(huán)狀分子能圍繞這個軸上下移動，并成功實現(xiàn)了可以上升高度達(dá)0.7納米的“分子電梯”和可以彎折黃金薄片的“分子肌肉”；第三步，費林加設(shè)計出了在構(gòu)造上能向一個特定方向旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)，這個馬達(dá)可以讓一個28微米長、比馬達(dá)本身大1萬倍的玻璃缸旋轉(zhuǎn)起來。有了這三步，分子機(jī)器就可以動起來了。

評選委員會表示，就像19世紀(jì)30年代，當(dāng)電動馬達(dá)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(jī)、電風(fēng)扇上等被廣泛運用。而分子機(jī)器正如當(dāng)年的電動馬達(dá)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。

費林加在現(xiàn)場電話連線時說，得獎消息令自己“很震驚”，同時感到榮幸。他表示，榮譽(yù)屬于全體科研合作者，大家的共同努力才成就了如此驕人的成果。費加林對其獲獎成就解釋說：“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?！?/p>

今年諾貝爾化學(xué)獎獎金共800萬瑞典克朗（約合93.33萬美元），將由這三位獲獎?wù)咂椒帧?img src="https://cimg.fx361.com/images/2023/07/23/qkimagesgqcsgqcs201610gqcs20161022-1-l.jpg"/>

今年的“分子機(jī)器的設(shè)計和合成”獲獎，力壓了此前大熱的基因檢測和基因編輯。湯森路透此前預(yù)測，香港中文大學(xué)的盧煜明教授和麻省理工學(xué)院（MIT）的華裔科學(xué)家張鋒，是今年化學(xué)獎的大熱門。盧煜明因其在孕婦血漿血中檢測到胎兒游離DNA，從而取得了無創(chuàng)產(chǎn)前檢測的革命性成果。1983年生于河北省石家莊的張鋒，則因其在老鼠和人類細(xì)胞中應(yīng)用CRISPR-CAS9基因編輯技術(shù)，而受到重視。

【焦點科普】

“分子機(jī)器”究竟是什么？

世界上存在小到只有千分之一頭發(fā)絲粗細(xì)的機(jī)器嗎？

這是一個關(guān)于科學(xué)家們?nèi)绾螌⒎肿映晒B接起來并設(shè)計出從微型電梯、微型發(fā)動機(jī)到分子肌肉的故事。

分子機(jī)器只有人類頭發(fā)的千分之一那么大。根據(jù)諾獎官網(wǎng)的介紹，這是“世界上最小的機(jī)器”，包括一部微型“起重機(jī)”，幾塊人工“肌肉”和微型“馬達(dá)”。

科學(xué)家是如何造出這個分子機(jī)器的呢？

所有的化學(xué)系統(tǒng)都力圖達(dá)到平衡態(tài)，可以減少能量消耗，但是這也會形成“僵局”。

就像人的生命一樣，人體內(nèi)的分子可以從食物中獲取能量，進(jìn)而推動人體的分子系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)，向更高水平的能量狀態(tài)發(fā)展，這樣人體才有可能利用這些能量推動肌體正常工作，維持生命。而一旦人體處于化學(xué)平衡態(tài)，人就會死亡。

三位科學(xué)家的研究促使分子系統(tǒng)擺脫平衡態(tài)，并能受控執(zhí)行特定任務(wù)，為化學(xué)的發(fā)展開啟了一個新世界。

根據(jù)諾獎官網(wǎng)介紹，總共需要三步，這三步分別是由這三位科學(xué)家做出來的：

第一步 將兩個環(huán)狀分子連接在一起。

邁向分子機(jī)器的第一步是索瓦日于1983年實現(xiàn)的，他成功將兩個環(huán)狀分子扣在一起，形成一種名為“索烴”的鏈條。通常情況下，分子是由原子間共享電子對構(gòu)成的強(qiáng)共價鍵連接而成，而“索烴”鏈上的分子間主要依靠相對較為自由的機(jī)械相互作用連接，不被任何價鍵連接。對于一個能夠完成特定任務(wù)的機(jī)器來說，必須有能夠相互移動的部件組成，而索瓦日實現(xiàn)了兩個互鎖環(huán)狀分子的相對移動。

第二步 利用一個分子推動另一個分子運動。

到了1991年，斯托達(dá)特實現(xiàn)了分子機(jī)器誕生的第二步，他成功合成了“輪烷”。輪烷是一個或多個環(huán)狀分子和一個或多個啞鈴狀的線形分子為軸組成的分子集合。啞鈴狀線形分子作軸穿過環(huán)狀分子的空腔，兩端結(jié)合有體積較大分子以防止線形分子滑出，從而形成了穩(wěn)定的輪烷結(jié)構(gòu)。

基于上述研究成果，斯托達(dá)特的研究團(tuán)隊先后成功實現(xiàn)環(huán)狀分子在線形分子表面上升0. 7納米的“分子電梯”，用輪烷構(gòu)成的“分子肌肉”成功彎折了一塊很薄的金箔，還開發(fā)出一種基于輪烷的計算機(jī)芯片，被認(rèn)為將來有望顛覆傳統(tǒng)計算機(jī)芯片技術(shù)。

第三步 設(shè)計分子馬達(dá)。

費林加則是研發(fā)出分子馬達(dá)（分子發(fā)動機(jī)）的第一人。1999年，他研制了一個分子轉(zhuǎn)子葉片，葉片能夠朝著同一方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這個馬達(dá)可以讓一個28微米長、比馬達(dá)本身大1萬倍的玻璃缸旋轉(zhuǎn)起來。2011年，費林加的研究小組在分子馬達(dá)的基礎(chǔ)上制造了一款四驅(qū)納米汽車，一個分子底盤將4個分子馬達(dá)連接在一起作為輪子，當(dāng)分子馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時，納米汽車就能向前行駛。

至此，分子機(jī)器動起來了。

近年來，三位諾獎得主的成果已經(jīng)成為全世界科研人員開發(fā)分子機(jī)器的“工具箱”，開創(chuàng)了分子機(jī)器的發(fā)展道路。目前已有科學(xué)家在輪烷的基礎(chǔ)上建造出一個可以抓取并連接氨基酸的分子機(jī)器人；還有研究人員將分子馬達(dá)和長聚合物相連，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，將光能儲存在分子中，有望開發(fā)出新型電池及光控傳感器。

【花絮】

爆冷！化學(xué)獎終于頒給了化學(xué)家

就在這個獎項公布后不久，中科院化學(xué)研究所副研究員、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會理事梁福鑫在朋友圈寫下一條評論：“回歸化學(xué)！”什么意思？原來，近年來的諾貝爾化學(xué)獎屢被吐槽“所頒非人”。

梁福鑫認(rèn)為，所謂“傳統(tǒng)化學(xué)”，指的是分子合成，以及與分子性質(zhì)有關(guān)的化學(xué)研究。然而在過去10多年里，諾貝爾化學(xué)獎多次頒給涉及生物、物理、生物化學(xué)、生物物理、物理等領(lǐng)域的研究，其中生物的占比最高。甚至有人調(diào)侃，獲得化學(xué)獎的皆非化學(xué)家。比如去年諾貝爾化學(xué)獎得主的三位科學(xué)家試圖攻克的是“DNA修復(fù)機(jī)制的研究與突破”這一生物學(xué)世界難題。前年獲獎的是超分辨率熒光顯微鏡……

有人做過統(tǒng)計，進(jìn)入21世紀(jì)，即從2001年開始，在過去已頒發(fā)的15年諾貝爾化學(xué)獎中，與生物相關(guān)的化學(xué)獎就達(dá)10次之多，而有機(jī)化學(xué)等傳統(tǒng)意義上的化學(xué)研究只有5次。

其實諾貝爾獎的發(fā)起人阿爾弗雷德·諾貝爾自己就是一名化學(xué)家?；瘜W(xué)獎是他在遺囑里提到的第二個獎項。

所以有評論稱，今年諾貝爾化學(xué)獎終于難得地頒給了純化學(xué)的研究，卻讓很多人認(rèn)為是“冷門”。

本刊整理自新華社