中國科學(xué)家解讀2016年諾貝爾化學(xué)獎
緊隨生理學(xué)獎和物理學(xué)獎之后,北京時間10月5日下午5點45分,2016年諾貝爾化學(xué)獎也終于揭曉。三位科學(xué)家——讓-皮埃爾-紹瓦熱、弗雷澤-斯托達(dá)特爵士和伯納德-L-費林加獲獎,領(lǐng)域是“分子機(jī)器的設(shè)計與合成”。
“近幾年,諾貝爾化學(xué)獎都快變成‘理綜獎’了,很高興今年終于頒給了純化學(xué)。”中科院理化所研究員叢歡笑道。他告訴《中國科學(xué)報》記者,與前幾年獲得諾貝爾獎的光纖通信、青蒿素、藍(lán)光LED等不同,分子機(jī)器與人們的日常生活聯(lián)系沒有那么緊密,更接近基礎(chǔ)研究。
學(xué)科:小分子,大領(lǐng)域
在叢歡眼里,分子機(jī)器是一個“很好玩”的領(lǐng)域。分子肌肉、分子電梯、分子馬達(dá)……這些聽起來就頗具趣味的概念,都是這個領(lǐng)域的代表工作。
諾貝爾化學(xué)獎委員會主席薩拉-林瑟在新聞發(fā)布會上表示,半個多世紀(jì)以來,將機(jī)器縮小到納米尺度成為科學(xué)家的夢想。這需要開發(fā)出新的化學(xué)策略,制作出連鎖的環(huán)形分子,并找到有效的能源轉(zhuǎn)換方式——而所有這些東西僅有一根頭發(fā)絲的千分之一大小。
紹瓦熱及其團(tuán)隊在1983年取得了第一個突破:開發(fā)出相互連接的分子環(huán)。接下來的幾年中,三位獲獎?wù)咭来卧O(shè)計得到了分子梭、可控旋轉(zhuǎn)的互聯(lián)環(huán)、分子轉(zhuǎn)子等。
基于費林加的光分子馬達(dá)思想,科學(xué)家們還創(chuàng)造出一輛四輪驅(qū)動的納米分子車。在“馬達(dá)”的驅(qū)動下,這輛汽車能夠緩緩地定向運動。
總而言之,“分子機(jī)器”是在合適的外界刺激下,可以執(zhí)行類似機(jī)器運動的獨立分子或分子組裝體。“驅(qū)動分子機(jī)器運動的能量可以是各種化學(xué)能,也可以是電能、光能等。”中科院化學(xué)所研究員陳傳峰表示,“通過分子和分子之間非共價相互作用力形成的結(jié)構(gòu)固定的超分子組裝體,再通過酸堿、離子、光、電等外界刺激,使分子之間發(fā)生相互運動,最終實現(xiàn)做功。”
如今,上述三位科學(xué)家開拓的“分子機(jī)器”研究,已經(jīng)形成了一個很大的領(lǐng)域,涉及有機(jī)合成、超分子化學(xué)、分析化學(xué)等學(xué)科交叉。而全世界眾多科研人員正在為此奮斗。
陳傳峰介紹,1987年,美法三位科學(xué)家因在超分子化學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展方面做出的杰出貢獻(xiàn),而獲得當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎,近30年后的今天,歐美三位科學(xué)家又因與超分子化學(xué)直接相關(guān)的分子機(jī)器研究,榮獲諾貝爾化學(xué)獎,這可以說是為(有機(jī))超分子化學(xué)研究帶來了新的契機(jī),是這一學(xué)科的“第二春”。
前景:一切皆有可能
據(jù)叢歡介紹,分子機(jī)器技術(shù)可以用在分子開關(guān),傳感器,催化等領(lǐng)域。但目前為止,其實際應(yīng)用還沒有達(dá)到期待的水平。他打比方說:“三位科學(xué)家解決了分子機(jī)器中基本結(jié)構(gòu)單元的問題。這就像是發(fā)明了活塞、齒輪等基本零件,但是人們?nèi)蘸蟀堰@些零件組裝起來,并形成功能完整的機(jī)器,還有很長的路要走。”
“當(dāng)然,現(xiàn)在為時尚早,但一旦你能控制這種運動,一切皆有可能。”獲獎?wù)咧毁M林加說,“可以想象,醫(yī)生能將這些微型機(jī)器人注入你的血管,然后尋找癌細(xì)胞或釋放藥物。”他將該發(fā)現(xiàn)與萊特兄弟的創(chuàng)舉相比較:萊特兄弟剛發(fā)明飛機(jī)時,也無法想象今天的航空事業(yè)如此繁榮。
復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授黎占亭評價道,作為超分子化學(xué)一個很重要的分支,三位科學(xué)家的開創(chuàng)性工作使得化學(xué)家在納米層次上控制單分子和多分子的運動達(dá)到了前所未有的高度。傳統(tǒng)上,化學(xué)研究強(qiáng)調(diào)分子本身的結(jié)構(gòu)與性質(zhì),但是通過分子馬達(dá)的研究,化學(xué)家認(rèn)識到,分子間和分子內(nèi)的相互作用,也可以極大地改變它們的微觀和宏觀性質(zhì),而對分子運動本身的控制,為未來設(shè)計新的智能分子材料及分子計算機(jī)等都提供了新的原理和策略。
國內(nèi):起步晚、發(fā)展快
黎占亭指出,這三位獲獎?wù)吲c中國化學(xué)界的學(xué)術(shù)交流是很多的,他們都曾多次訪問中科院上海有機(jī)所、復(fù)旦大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)和高校。2014年在上海舉辦的國際大環(huán)和超分子化學(xué)學(xué)術(shù)會議上,斯托達(dá)特爵士是大會報告人之一,他還是天津大學(xué)中組部外籍千人,有獨立的實驗室開展研究。
斯托達(dá)特和費林加都培養(yǎng)了很多中國留學(xué)生。在斯托達(dá)特的課題組里,中國學(xué)生的數(shù)量甚至達(dá)到了四分之一,在他最近十年發(fā)表的論文中,中國留學(xué)生做出了很大貢獻(xiàn)。斯托達(dá)特曾表示,自己非常喜歡中國學(xué)生,認(rèn)為他們踏實、努力,并且天賦極高。
目前,這些留學(xué)生不少已經(jīng)學(xué)成回國,在國內(nèi)著名高校和研究所任教授,獲得中組部青年千人計劃等,并開始做出創(chuàng)新性工作。
據(jù)專家介紹,在我國,分子機(jī)器領(lǐng)域的研究起步相對較晚。但黎占亭認(rèn)為,過去十年來,我國在這一領(lǐng)域的進(jìn)步迅速。僅上海地區(qū),華東理工大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)及上海有機(jī)所等單位,就都做出了具有世界水平的研究成果。特別是近年來國家加大基礎(chǔ)研究投入,加快青年杰出人才的引進(jìn),他相信未來會有越來越多原創(chuàng)性的工作在中國完成。
陳傳峰也表示,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,中國有不少研究小組正在開展前沿的超分子化學(xué)研究,并取得了諸多進(jìn)展。今年8月,全國第十八屆大環(huán)化學(xué)暨第十屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會剛剛落下帷幕。據(jù)悉,這一會議是國內(nèi)該領(lǐng)域主要學(xué)術(shù)交流平臺之一,每屆會議都吸引全國超分子化學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者積極參與。
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