汽車、電梯、馬達、芯片,他們用分子造出顯微鏡才能看到的機器

——2016年諾貝爾化學獎解讀

中國科技網-科技日報記者 聶翠蓉

本屆諾貝爾化學獎似乎是物理獎的連續(xù)劇。為了更形象地解釋本屆諾貝爾獎的關鍵成果——將環(huán)狀分子互鎖成鏈狀或結狀結構的機械鍵(一種拓撲化學結構),諾貝爾組委會再次選用面包進行更形象的說明,他們拿出兩個套在一起的面包圈,解釋一對彼此獨立但又相連的分子。

瑞典皇家科學院宣布將2016年度諾貝爾化學獎授予讓-比埃爾索瓦、弗雷澤.斯托達特和伯納德.費林加三位科學家,因為他們在“設計和合成分子機器”領域開創(chuàng)性研究,而這些研究的起點就是從機械鍵開始。

機械鍵讓環(huán)狀分子互鎖相連

早在上個世紀50年代,為了創(chuàng)建更加高級的分子結構,一些化學家們開始嘗試讓環(huán)狀分子互相連接成分子鏈,有人在描述如何讓低聚硅氧烷和環(huán)式糊精互鎖相連中首次正式提出機械鍵的概念。

分子間相互作用一般是通過不同分子內原子間共用電子形成強有力的共價鍵,但環(huán)狀分子通過機械鍵相互作用,原子間并不直接相互作用,因此鍵力更“松散”,兩個分子能夠相互活動,構建出想要的分子機器。

機械鍵提出的最初十年,一些科研團隊報道他們在實驗室合成分子鏈,但因產量太低(只有反應物的百分之幾)和方法太過復雜,始終無法達到實用需求。隨后幾年,該領域研究一直不見成效,許多科學家逐漸放棄,到80年代初,該領域可謂一片消沉。

但1983年的一個巨大突破完全扭轉了局面:法國科學研究中心主任讓-比埃爾.索瓦帶領他的研究團隊利用普通的銅離子,將兩個分子環(huán)互鎖成分子鏈,且形成分子鏈的分子占比達到了驚人的42%之多,分子鏈從此不再只是傳奇,大步踏上功能化學行列。

與大多數研究一樣,索瓦的這一成功也來自一個意外。他本來在從事光化學領域研究,重點研發(fā)能捕捉太陽能并催化化學反應的分子復合物,但當他建立了一種光化學活性復合物模型后,卻意外發(fā)現一種分子鏈結構:兩個分子圍繞銅離子糾纏在一起。

這個發(fā)現讓他完全改變了自己的研究方向。運用這個光化學模型,索瓦團隊構建了能分別被銅離子吸引的環(huán)狀分子和月牙狀分子,他們先讓一個月牙分子和一個環(huán)狀分子與銅離子吸附,再讓另一個月牙分子來與前面的月牙分子形成新的環(huán)狀分子,這樣兩個環(huán)狀結構就形成了分子鏈,最后再把銅離子移走。

索瓦將兩個環(huán)狀分子互鎖相連的分子鏈取名為索烴,隨后他和弗雷澤.斯托達特又基于索烴研發(fā)出三葉結、博羅環(huán)和所羅門結等具有文化象征意義的分子結構。但這些只是鋪墊,2016年諾貝爾化學獎的主角是分子機器。

分子機器的預言成真

關于分子機器,著名的諾貝爾獎獲得者理查德.費曼曾在1984年的一次演講中指出,未來我們會用分子造出含有多個活動部件的機器,這種機器小到只能用電子顯微鏡才能看到,“我們可以用分子設計我們熟悉的所有機器。而且25到30年內,這種分子機器就會取得實際運用,但最先用的是什么機器,我不知道。”

費曼的預言似乎成真了。索瓦的索烴結構讓他成功跨出了分子機器研發(fā)的重要第一步:索烴內機械鍵允許兩個分子進行相對運動,滿足了機器執(zhí)行任務的基本條件。1994年,他的團隊通過施加能量,成功讓索烴內的一個環(huán)繞著另一個環(huán)按一定方式旋轉。

斯托達特于1991年研發(fā)出一種名叫輪烷的分子結構邁出分子機器研究的第二步:將一個分子環(huán)串到一根分子軸上,并證明分子環(huán)能沿著分子軸像織布梭一樣前后穿梭。1994年之后,斯托達特的研究團隊基于輪烷研制出不同的分子機器,包括能將自己升高0.7納米的分子電梯,能將一塊超薄的金片彎曲的分子肌肉,以及能儲存20000字節(jié)數據的分子芯片�，F在的計算機晶體管結構已經很小了,但相比分子晶體管還是大得太多,分子芯片將像硅基晶體管一樣給計算機技術帶來革命性變化。

1990年代開始許多科學家開始競相研制分子馬達,但伯納德.費林加,成為第一個沖過終點的科學家。1999年他研制出世界上第一個分子馬達,并成功通過機械作用讓一個分子馬達的葉片沿著一個方向持續(xù)螺旋轉動。這第一個馬達轉的并不快,經過不斷優(yōu)化,2014年他的分子馬達轉速已經達到每秒1200萬轉。

在后來的研究中,費加林團隊還成功讓比分子馬達大一萬倍的28微米長玻璃圓柱在分子馬達的帶動下轉動起來,并設計出用四個分子馬達當車輪的納米轎車,能在車輪帶動下沿著平面前進。

分子機器開創(chuàng)化學研究新局面

這些能獲得諾貝爾獎這一至高榮譽的分子機器研究,打破了化學領域多年來尷尬的局面:讓這一古老學科重獲生機。分子馬達可與1830年代的電動機相提并論,這些分子機器將廣泛用于研發(fā)新材料、傳感器和能源儲存系統(tǒng)等領域。

首先,這些分子機器的研發(fā)可為全世界正在研發(fā)越來越高級化合物的科學家提供工具箱,比如2013年科學家成功以輪烷為基礎開發(fā)出分子機器人,它能抓取氨基酸并將氨基酸連接起來形成新的蛋白結構。

還有科學家成功將分子馬達與長鏈聚合物相連,當暴露在陽光下時,這些馬達會將聚合物卷成雜亂的困狀,通過這種方式把光能儲存在分子中,有望研發(fā)出一種全新的電池。馬達與聚合物纏繞也會讓材料收縮,因此也能用來研制對光敏感的傳感器。