汽車、電梯、馬達(dá)、芯片,他們用分子造出顯微鏡才能看到的機(jī)器

——2016年諾貝爾化學(xué)獎解讀

中國科技網(wǎng)-科技日報記者 聶翠蓉

本屆諾貝爾化學(xué)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(guān)鍵成果——將環(huán)狀分子互鎖成鏈狀或結(jié)狀結(jié)構(gòu)的機(jī)械鍵(一種拓?fù)浠瘜W(xué)結(jié)構(gòu)),諾貝爾組委會再次選用面包進(jìn)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(xué)院宣布將2016年度諾貝爾化學(xué)獎授予讓-比埃爾索瓦、弗雷澤.斯托達(dá)特和伯納德.費林加三位科學(xué)家,因為他們在“設(shè)計和合成分子機(jī)器”領(lǐng)域開創(chuàng)性研究,而這些研究的起點就是從機(jī)械鍵開始。

機(jī)械鍵讓環(huán)狀分子互鎖相連

早在上個世紀(jì)50年代,為了創(chuàng)建更加高級的分子結(jié)構(gòu),一些化學(xué)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(jī)械鍵的概念。

分子間相互作用一般是通過不同分子內(nèi)原子間共用電子形成強(qiáng)有力的共價鍵,但環(huán)狀分子通過機(jī)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(gòu)建出想要的分子機(jī)器。

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

但1983年的一個巨大突破完全扭轉(zhuǎn)了局面:法國科學(xué)研究中心主任讓-比埃爾.索瓦帶領(lǐng)他的研究團(tuán)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(dá)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(xué)行列。

與大多數(shù)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(xué)領(lǐng)域研究,重點研發(fā)能捕捉太陽能并催化化學(xué)反應(yīng)的分子復(fù)合物,但當(dāng)他建立了一種光化學(xué)活性復(fù)合物模型后,卻意外發(fā)現(xiàn)一種分子鏈結(jié)構(gòu):兩個分子圍繞銅離子糾纏在一起。

這個發(fā)現(xiàn)讓他完全改變了自己的研究方向。運用這個光化學(xué)模型,索瓦團(tuán)隊構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dá)特又基于索烴研發(fā)出三葉結(jié)、博羅環(huán)和所羅門結(jié)等具有文化象征意義的分子結(jié)構(gòu)。但這些只是鋪墊,2016年諾貝爾化學(xué)獎的主角是分子機(jī)器。

分子機(jī)器的預(yù)言成真

關(guān)于分子機(jī)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(jī)器,這種機(jī)器小到只能用電子顯微鏡才能看到,“我們可以用分子設(shè)計我們熟悉的所有機(jī)器。而且25到30年內(nèi),這種分子機(jī)器就會取得實際運用,但最先用的是什么機(jī)器,我不知道。”

費曼的預(yù)言似乎成真了。索瓦的索烴結(jié)構(gòu)讓他成功跨出了分子機(jī)器研發(fā)的重要第一步:索烴內(nèi)機(jī)械鍵允許兩個分子進(jìn)行相對運動,滿足了機(jī)器執(zhí)行任務(wù)的基本條件。1994年,他的團(tuán)隊通過施加能量,成功讓索烴內(nèi)的一個環(huán)繞著另一個環(huán)按一定方式旋轉(zhuǎn)。

斯托達(dá)特于1991年研發(fā)出一種名叫輪烷的分子結(jié)構(gòu)邁出分子機(jī)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(dá)特的研究團(tuán)隊基于輪烷研制出不同的分子機(jī)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(shù)據(jù)的分子芯片�，F(xiàn)在的計算機(jī)晶體管結(jié)構(gòu)已經(jīng)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(jī)技術(shù)帶來革命性變化。

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

在后來的研究中,費加林團(tuán)隊還成功讓比分子馬達(dá)大一萬倍的28微米長玻璃圓柱在分子馬達(dá)的帶動下轉(zhuǎn)動起來,并設(shè)計出用四個分子馬達(dá)當(dāng)車輪的納米轎車,能在車輪帶動下沿著平面前進(jìn)。

分子機(jī)器開創(chuàng)化學(xué)研究新局面

這些能獲得諾貝爾獎這一至高榮譽的分子機(jī)器研究,打破了化學(xué)領(lǐng)域多年來尷尬的局面:讓這一古老學(xué)科重獲生機(jī)。分子馬達(dá)可與1830年代的電動機(jī)相提并論,這些分子機(jī)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(lǐng)域。

首先,這些分子機(jī)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(xué)家提供工具箱,比如2013年科學(xué)家成功以輪烷為基礎(chǔ)開發(fā)出分子機(jī)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(jié)構(gòu)。

還有科學(xué)家成功將分子馬達(dá)與長鏈聚合物相連,當(dāng)暴露在陽光下時,這些馬達(dá)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(dá)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。