諾貝爾化學獎 世界上最小的機器

苗千

“如果我們可以隨心所欲地排列原子，物質會具有哪些性質？”

物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）在1959年的一次著名的演講《在底層還有很大的空間》（Theres Plenty of Room at the Bottom）中提出了這個問題。他推繹道：“在理論上這是個很有趣的問題。我實在想不到會發生些什么，但是我不懷疑，當我們可以在極小的尺度下操縱物質的排列形式，我們就將可以利用物質所展現出來的各種各樣的特性做各種不同的事。”在短短幾十年之后，化學家們已經可以合成出各種新奇的分子，并且制造出世界上最小的分子機器，以一種他未曾想到的方式實現了他的夢想，三位杰出的化學家也因此獲得了諾貝爾化學獎。

2016年諾貝爾化學獎授予了法國斯特拉斯堡大學的讓-皮埃爾·索維奇（Jean-Pierre Sauvage）、美國西北大學的弗雷澤·斯托達特（J.Fraser Stoddart）和荷蘭格羅寧根大學的伯納德·費林加（Bernard L.Feringa）（三人各獲得三分之一獎金）。正是這三位化學家最先實現了費曼的夢想，利用高超的實驗手段，操縱原子的排列形式，合成出新奇的分子，從而設計出各種分子機器。他們的成果不僅對于基礎化學研究有巨大的貢獻，拓展了人類對于化學的認識，也在未來有著無限的應用前景。

我們可能理解一部電梯或是一輛汽車的運行原理，但是，如果把這些機器縮小到納米級，到了分子的層面，就會超出人類的想象力了。這種尺寸上的縮小也讓人類更深刻地理解自然界，認識到分子可以有不同的結合方式——這些成就，都是由化學家們合成出各種此前在自然界中并不存在的新奇分子開始的。

在20世紀中期，科學家們開始合成各種各樣或新奇或復雜的分子，也開始嘗試著把各種環形的分子鏈接在一起，創造出全新的分子。分子大多是由構成它的各個原子通過共用電子對形成“共價鍵”獲得一個相對穩定的結構。而兩個環形的分子形成一個鏈條形的分子，讓人類在共價鍵的形式之外，認識到在分子世界中還存在著另外一種結合形式：機械鍵。但是在當時制造這樣的分子太過困難煩瑣，并沒有太大的研究價值。

荷蘭格羅寧根大學的伯納德·費林加

直到20世紀80年代，索維奇在1983年首先實現了制造分子機器的第一步：他把兩個環形分子結合在一起，形成了一個鏈條，被稱作“輪烷”。對于一部機器來說，最重要的一個因素就是機器中的一部分必須可以相對于其他部分自由運轉。索維奇合成出這種具有機械鍵的分子，可以說邁出了關鍵的一步，使人類制造出分子機器成為可能。

當時索維奇的研究小組正在研究光化學，他們希望能夠利用陽光中的能量促成化學反應。而當他建立一個光化學的反應模型時，他發現這與分子鏈的結構非常相似——兩個環形分子圍繞著一個中央銅離子相互纏繞。索維奇從中得到啟發，他的研究小組首先合成出一個環形分子和一個半圓形的分子，并且在其中放置了一個銅離子。被放置在中間的銅離子起到了一種“黏合作用”，可以吸引另外一個半圓形的分子與之結合，這樣也就形成了兩個圓形的分子的相互鏈接。

在1991年，斯托達特的研究小組做出了建造分子機器的又一個突破，以另外一種方式制造出分子發動機。他的研究小組合成了一種缺少電子的分子環，又合成出另外一種擁有富余電子的分子“長軸”。當這兩種分子在溶液中相遇，分子環就會套在長軸之上。斯托達特發現，通過給這種分子加熱，分子長軸上的環形部分就會往復運動，到了1994年，他已經可以完全控制這種運動，成為另外一種分子發動機的雛形——這種分子可以像電梯一樣運轉，把自己提升到物質表面0.7納米的高處。另外，根據這種分子的不同狀態，可以用來表示“0”和“1”兩個數字，把它作為某種“分子內存”。斯托達特與合作者就是利用這樣的分子制造出了20KB的分子內存。

在此基礎上，費林加制造出了“分子發動機”。他領導的研究小組合成出一種分子，在紫外線的照射下，這種復雜分子的一部分可以沿著同一個方向旋轉180度——由此他們很快制造出了一種特殊的分子，一秒鐘可以旋轉1.2萬圈。在紫外線提供的動力的驅使下，很多分子發動機共同工作，足以旋轉體積是自身1萬倍、長達28微米的玻璃棒。費林加在2011年最終利用這種分子發動機設計出一款納米級的“分子四驅車”：在紫外線的照射下，由四個分子發動機構成的分子汽車向前行駛。

美國西北大學的弗雷澤· 斯托達特 法國斯特拉斯堡大學的讓- 皮埃爾·索維奇

這三位化學家制造出了世界上最小的機器。盡管目前對于分子機器的研究還處于起步階段，就連這三位化學家現在也說不清這些分子機器在未來能有什么樣的應用，但毫無疑問的是，他們的基礎性工作為人類打開了一個全新的工具箱。所有這些發明的本質，都在于他們利用這種全新的機械性的化學鍵，合成出各種此前在自然界并不存在的新奇分子，讓分子的一部分可以進行循環往復的運動，從而提供動力。

斯托達特說，化學家們每天都可以合成數以千計的新化合物，每周都會發現一兩種新型的化學反應，但是發現和利用這種新型的化學鍵卻只發生過一次，這對于基礎化學來說是一次進步。費林加也評論說，只要能夠控制分子運動的方式，那么一切都有可能實現。科學家們預測，在20至25年之內，人類將可以利用各種分子機器進行實際的工作，從在人體內運輸藥物和探測疾病，到制造新型的電腦內存，這些分子機器在未來人類社會的各個領域一定會有廣泛的用途。