深度解讀2016諾貝爾化學獎：分子馬達與納米火箭

2016年諾貝爾化學獎授予讓-皮埃爾·紹瓦熱（Jean-Pierre Sauvage），J·弗雷澤·斯托達特（J. Fraser Stoddart）和伯納德·L·費林加（Bernard L.Feringa），因其「發明了行動可控、在給予能源後可執行任務的分子機器」。信息技術的發展帶來了小型化的技術革命，今年的諾貝爾化學獎工作把化學研究帶入了一個全新的維度。

1983年，讓-皮埃爾·紹瓦熱邁出了通往分子機器的第一步，他將兩個環狀分子連成鏈狀，並將其命名為索烴。隨後的1991年，斯托達特成功製備了輪烷，其中一個分子為鏈，一個分子為環，環分子可以繞鏈轉動。在此基礎上，科學家成功研製了分子起重機、分子肌肉和分子晶元。費林加則是發展分子發動機的第一人。1999年，他製備了一種能夠持續朝一個方向轉動的分子發動機，用它轉動了比它大一萬倍的玻璃杯，並且設計了一個微型車。

本屆諾貝爾獎獲獎者帶化學走出了僵局，並用給予能量的方式控制了分子的運動。從發展的眼光看，分子機器之於我們正如電動機之於19世紀的科學界先輩，那時他們並不知道這些線圈和磁石會化為電車、洗衣機、電風扇等等走進千家萬戶。分子機器很有可能會在未來的新材料、感測器、儲能系統等領域大顯身手。

2015年12月號的《環球科學》中的《分子馬達與納米火箭》一文就著重介紹了斯托達特和費林加的工作，斯托達特在採訪中說：「這一領域的研究已經走過了漫長的道路，現在是時候向外界證明它們是有用的了。」而獲得2016年的諾貝爾化學獎，對於分子機器這個前景無限的新興領域，無疑是最好的鼓勵。

撰文馬克·佩普洛（Mark Peplow）

翻譯楊科

一個機器人沿著預定軌道緩慢行進，時不時停下來伸出手臂收集一下零件，並把收集起來的零件放置在背後一個特別設計的結構里。一處收集完成後，機器人繼續向前行進，重複這一過程——直到按照既定設計把一連串的部件全部收集完畢。

如果不告訴你這條流水線其實只有幾納米長，你可能會以為上面描述的是一個高科技工廠中的場景。而在這條納米流水線中，零件是氨基酸，多個零件則串成了一小段多肽。完成這一系列任務的機器人由英國曼徹斯特大學的化學家戴維·利（David Leigh）所設計，這也是迄今為止在分子尺度上設計出的最複雜的機器人之一。

這個機器人並不孤單，因為它的「父親」戴維·利只是逐漸壯大的「分子建築師」大軍中的一份子。他們希望通過化學手段去模擬活細胞中可像機器一般發揮作用的生物分子，比如沿著細胞內微觀結構移動的驅動蛋白，或是通過讀取遺傳密碼合成蛋白質的核糖體。在過去的25年里，研究人員已經設計並製造出了大量可以像樂高積木一樣在納米尺度上完成組裝的分子機器部件，包括分子開關、分子棘輪、分子馬達、分子連桿、分子環和分子推進器等。由於分析化學工具的不斷改善以及構建有機大分子的相關反應的日漸成熟，這一研究領域得到了迅猛發展。

然而，這一領域目前的發展到達了一個轉折點。「我們已經製造出了五六十種不同的（分子）馬達，」荷蘭格羅寧根大學的化學家本·費林加（Ben Feringa，2016年諾貝爾化學獎得主）說道，「我現在更關心的是怎麼使用它們，而不是再造出一種新的馬達來。」這一跡象在今年6月份的美國戈登會議（US Gordonconferences）上就已清楚地出現。這一在學術界有著舉足輕重地位的會議今年首次將「分子機器及其潛在應用」作為重點議題，標誌著該領域的研究進入新的紀元——本次會議的組織者、以色列魏茨曼科學研究所的化學家拉法爾·克萊因（Rafal Klajn）如是說。戴維·利也說：「在15年內，分子機器領域的研究將成為化學和材料設計領域的核心部分。」

要達到戴維·利所期望的目標並非易事。首先，研究人員得知道如何讓數以億計的分子機器協同工作，產生可觀測到的宏觀效果，除此之外，研究人員還需要讓這些分子機器易於操控，保證它們可以在不間斷的情況下完成無數次操作。

TAG:科普中國頭條推送 |

※解讀2017年諾貝爾化學獎
※讓分子轉起來：解讀2016年諾貝爾化學獎
※深入解讀2016年諾貝爾醫學獎
※解讀2016年諾貝爾物理獎
※拓撲相變 | 解讀2016年諾貝爾物理獎
※李雪明：冷凍電鏡史話-2017諾貝爾化學獎解讀
※解讀2016年自然科學諾獎
※引力波探測史：詳細解讀2017年諾貝爾物理學獎
※50圖＋10000字，超深度解讀糞菌移植！
※詳細解讀2018款馬自達CX-4
※西甲即時積分榜保級爭冠解讀：皇馬0比7巴薩衛冕懸了！梅西9C羅0
※2017/2018賽季德甲閱兵及數據解讀
※超貼心的米舍蘭8月 12星座運勢解讀
※福布斯2017年NFL球隊估值榜解讀，達拉斯牛仔連續11年佔據榜首
※雷德利·斯科特解讀《銀翼殺手2049》
※解讀珠寶玉石國家標準：GB/T 32863-2016《紅寶石分級
※一文解讀：2017諾貝爾經濟學獎到底是什麼來頭！
※蘇珊·米勒解讀十二星座2017下半年運勢
※161120 帶你深度解讀李鍾碩 新加坡《優1周UW》採訪內容公開