世界首場納米車競賽，即將發車

化學家將沿著微小的金賽道駕駛分子小車。
作者： Davide Castelvecchi, 2017年4月20日刊於《自然》

納米車的化學結構。 Credit: Shirai, Y. et al., Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

來自3大洲的6支隊伍正準備參加一場本月於法國南部在一條拋光的金賽道上舉辦的別開生面的車賽。但這並不是一場豪車盛宴：參賽者將駕駛單個分子進行比賽。在36小時內，他們將要把這些分子小車移動100納米，大概就是頭髮絲直徑的千分之一那麼寬，賽道在實驗室里的真空極寒環境中，溫度比絕對零度*略高一些。

*絕對零度：(英語：absolute zero)是熱力學的最低溫度，是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。絕對零度是僅存於理論的下限值，其熱力學溫標寫成K，等於攝氏溫標零下273.15度(即?273.15℃)——譯者注，來自維基百科

該項賽事被列位世界首場納米車競賽，活動的合作組織者、在本次活動舉辦地圖盧茲材料製造和結構研究中心工作的化學家，克里斯蒂安·約阿希姆(Christian Joachim)表示，本次活動的目標是讓人們對納米科技和分子機器感到一顆賽艇。約阿希姆在接受記者採訪之後意識到納米車比他在納米科技基礎方面的研究更具吸引力，於是他和圖盧茲-保羅·薩巴蒂耶大學的化學家格溫內爾·羅彭內(Gwéna?l Rapenne)一同發起了這項競賽。

本次賽車或許也能夠為想要了解更多關於單個分子與表面相互作用的參賽者們提供科學見解。參賽者表示，這也許能幫助催化劑的設計，以及放眼將來，長遠的目標也可能是制定運輸貨物或信息的分子技術。約阿希姆表示：「這是一個許多人同時進行的巨大實驗。」(《自然納米科技》(Nature Nanotechnology)是本次競賽的贊助者，獨立於《自然》(Nature)的新聞組)

用電子駕駛

納米車這個術語實際上是一個不正確的詞，因為這個比賽中的分子沒有發動機。(約阿希姆表示，將來的比賽或許會將其納入)而且分子是否會像車一樣滾動也不是很清楚：一小部分的設計也許是這樣，但更多的設計則缺少車軸和車輪。奧地利格拉茨大學的物理學家、美國-奧地利聯隊的聯隊長萊昂納德·格里爾(Leonhard Grill)指出，司機將使用來自掃描隧道顯微鏡(STM)探針的電子來幫助他們的分子不斷進行簸動，通常是以每次0.3納米的速度，來完成100納米這樣「不得了的長度」。

該「風車」納米車在一個表面上行進：攝於德累斯頓訓練期間。

參賽者禁止用STM的探針直接推動他們的分子小車前進。一些隊伍把他們的分子小車設計成靠來擊的電子提高其能級，從而引發振動或改變分子結構，使賽車手一起簸動。其他人則期待用電子的靜電斥力作為主要驅動力。日本筑波的國立材料科學研究所的有機化學家中西和嘉(Waka Nakanishi)設計了一輛有兩組「扇葉」納米車，可以在STM探針發射電子給分子小車充能時像蝴蝶翅膀一樣撲動。她表示，參加這項比賽的一部分原因是獲得圖盧茲實驗室最先進的STM使用機會，以更好地了解分子的行為。

雅典市(美國)俄亥俄州立大學的化學家埃里克·馬森(Eric Masson)希望確認他所在團隊的分子小車的「車輪」(南瓜形狀的原子團)究竟是在表面滾動還是只是簡單地滑動。馬森表示：「我們想更好地了解分子與表面之間相互作用的性質。」

簡單地觀看比賽過程只是這場戰役的一半。每支隊伍在嘗試簸動後，會花三分鐘用STM掃描各自的賽道，而且每一小時後，他們將會生成一個短暫的動畫並立即在線發布。約阿希姆表示，這樣一來，每個人都能夠幾乎實時觀看比賽。

納米級競賽
化學家此前已經製作了具有輪子和軸的微小的納米車、以及分子轉子和開關。 2016年諾貝爾化學獎授予了分子機器的設計者，再次引發了對該領域的興趣。然而約阿希姆表示，諾貝爾獎獲得者主要在研究大量分子的解決方案，而參與本次比賽的研究人員的關注點在於單分子和固體表面之間的相互作用。

但納米車的行為與現實生活中的汽車完全不同，這使得它們很難發揮作用。在納米層級，靜電力佔主導地位，隨機熱振動也在不斷地震動分子。格里爾表示，其結果就是納米機器或許會以非預期或不可預測的方式做出行為。

圖盧茲實驗室有一個非常規的帶有四個掃描探針的STM——大多數只有一個——這可使4支隊伍同時進行比賽，每支隊伍位於純金表面的不同區域。6支隊伍將在本周競爭以獲得4強稱號；決賽將於4月28日當地時間上午11點舉行。參賽者將在比賽中面臨多種障礙。約阿希姆表示，比賽中單個分子經常會丟失或被卡住，而且最棘手的部分可能是找到辦法通過兩個彎道。他認為賽手可能需要多次重啟才能彌補這些距離。

[HW via Scientific American]

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