2016年同获诺奖的三位化学大叔

来源:科普中国发布时间:2018-09-11

这三位获奖者发明了“世界上最小的机器”,那么登上诺贝尔领奖台的分子机器究竟什么来头?

  瑞典皇家科学院将2016年诺贝尔化学奖授予让-皮埃尔•索维奇,J•弗雷泽•斯托达特和伯纳德•L•费林加三位科学家,以表彰他们掌握了在分子层面上控制运动的技术。
  这三位获奖者发明了“世界上最小的机器”,这一发明将化学研究推向了一个全新的维度,从而使分子的行动具有可控性。
  杰出的美国物理学家、诺贝尔奖得主理查德•费曼先生,曾经在1984年提出了一个问题:“制造极其微小的、有可移动部件的机器的可能性有多大?”
  而2016年诺贝尔化学奖则很好地回答了这个问题:人类目前已经能够做出相当于头发丝直径千分之一大小的机器。
  那么登上诺贝尔领奖台的分子机器究竟什么来头?制造这号称世界上最小的机器究竟有多大的难度?它又能够为人类带来怎样的福音呢?下面就让小编带您走进分子机器的微妙世界。

2016诺贝尔化学奖三位获奖科学家

2016诺贝尔化学奖三位获奖科学家(左起:索维奇、斯托达特、费林加)

     这个“机器”不简单
  一提到机器,我们首先都会联想到金属材质的大型机器。然而我们这里要讲的分子机器,是指由分子尺度的物质构成、能行使某种加工功能的机器,其构件主要是蛋白质等生物分子。简单地说,分子机器就是由三位科学家通过人工创造的一种比纳米尺度还小的新物质。这种分子特别小,是以原子为材料,可以称之为目前世界上的最小机器。这种“世界上最小的机器”是在分子层面上设计开发出来的机器,可以进行可控的运动,在向其充能时可移动执行特定任务。诺贝尔奖委员会表示,分子机器将最有可能应用于开发新的材料、传感器和能量存储系统。
  其实,存在于生物体系里的分子机器无处不在,比如血红蛋白对氧气和二氧化碳的传送,细胞运送各种离子等,都是依靠生物分子机器运作的结果,这些生物分子机器就像宏观的汽车、飞机一样,驱动着生物体的微观体系,并偏离平衡态,从而做功和维护生命过程。此次获得诺贝尔化学奖的三位科学家,开创了一种新的可能:生物体内那些像机器一样运转的东西,可以利用基本的非生命体化合物来合成,并用这些非生命体的分子机器来模拟生命体的分子机器的运转,从而开启一个新的时代。同时,人类研究生物体不再是简单地用生物的方法去研究,而开始用化学的方法去模拟未来的世界。

分子马达转动示意图

分子马达转动示意图

    “三步走”造出分子机器
  作为世界上最小的机器,实现纳米尺度上的驱动与空寂,难度可想而知。相较于技术操作上的高难度,分子机器的设计原理就简单许多。通常,分子是由原子间形成的共价键组成的,比如两个氢原子和一个氧原子由共价键连接形成水分子。但是,分子机器却是在非共价键弱相互作用力下由不同的构筑基元组装而成,就像堆积木,不同形态的积木组合成不同的结构,而后通过化学反应使这种结构稳固下来。
  那么,科学家又是怎样一步一步实现了分子机器的组装呢?
  首先,索维奇在1983年成功完成了构建分子机器的第一步。他将两个互扣的可以彼此互相运动的环形分子套在一起,形成一个稳定的超分子结构,称为“索烃”。通常情况下,分子之间通过强共价键也就是共用电子的方式相结合,但是在索烃这种链状分子中,分子间形成了自由的机械结合,这样它的各个组成部分之间就可以像机器一样可以相对运动从而执行任务。
  随后,斯托达特在1991年完成了研发分子机器的第二步,他研究出了“轮烷”——一种环状分子结构与轴状分子结构的机械结合体。他将一个环状分子环穿到一个链状结构分子轴上,并且利用环状分子的自由性使其绕轴往复移动,做到对其运动状态的完全控制。在轮烷研究的基础之上,他成功制造出了大量不同的分子机器,其中包括分子起重机,分子肌肉和基于分子的计算机芯片。
  而费林加则完成了第三步,成功开发出了世界上第一个分子马达。1999年,费林加发明出了可以向同一个方向不停旋转的分子转子叶片:它含有两个相同的叶片单元,当分子被暴露在紫外线光的脉冲下,一个动叶片围绕中间的双键跳了180度。然后,棘轮移动到指定位置。随着下一个光脉冲的带来,动叶片又跳了180度。如此持续下去,分子马达就会朝同一个方向旋转起来。现在他的研究小组已经将其优化,转速可达每秒1200万转。利用分子马达,他驱动了一个28微米长、比马达本身大1万倍的玻璃圆筒。
      小身材内蕴藏着无限可能
  获奖当天,索瓦吉在答复瑞典皇家科学院的提问时称,他自我感觉像是一百多年前首次实现人类飞行梦想的莱特兄弟。当时人们还对为何发明飞行器心存疑问,“但是,我们现在已经有了波音和空客。”
  其实分子机器之于我们就如电动机之于19世纪的人们,那时的人们也没有想到这些线圈和磁石会化为电车、洗衣机等生活中的重要角色走进千家万户。
  科学家们表示,未来分子机器的应用前景将是“无限的”:分子机器可以搭载药物,进行药物的定点精确释放;它还可以成为微小的存储单元,进行高密度存储等。
  科学家认为,分子机器的诞生是一次具有深远意义的革命,很有可能做出在血管中流动的机器人,然后找到恶性肿瘤组织,释放治癌药物,彻底攻克癌症。除了可以用于治疗疾病,考虑到分子机器大小仅有头发粗细的千分之一,还可以将其置于体内监测人体的健康状况,应用于预防疾病等方面。

伯纳德•L•费林加

分子马达第一人——伯纳德•L•费林加(Bernard L.Feringa)

  今年的诺贝尔化学奖无疑是对分子机器领域发展方向的肯定,分子机器的出现就像19世纪30年代出现电机一样,势必成为之后几年研究关注的焦点领域,这一领域虽然距离马上有实际应用还很遥远,但让人看到如何在分子水平控制机器运动,令人震撼。分子机器未来一定可以成功敲开应用的大门,推动人类文明进程滚滚前进!

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