分子機器的發展歷史

朱達

摘要：科學的發展往往遵循著理解自然、模擬自然、超越自然的規律。對于分子機器這一領域的研究同樣如此，生物學家們研究自然界中生物體系的運行發現了生物大分子機器發揮的巨大作用及其運轉的基本原理。在此研究基礎上，化學家們希望通過化學的方法，人工合成制造出同樣性能優異的小分子機器來模擬生物大分子機器，最終希望能有超越自然的分子機器被發明出來造福人類。

關鍵詞：分子機器；發展史

那么人工合成小分子機器的研究是怎樣開始的呢？首先源于一個設想。1959年，理查德·費曼（Richard P.Feymann，1918～1988，1965年諾貝爾物理學獎得主）在美國物理協會上做了題為《在底部還有很大空間》的演講，展望了極小尺度操作和控制物體的相關問題和其特殊的科學意義。也就是在這篇報告中提出了“分子機器”的概念和設想。然而分子機器是什么樣子的，應該如何制造這樣的機器，費曼并未能夠回答這些問題。不過有了這樣的猜想，已經足以引起化學家們強烈的興趣和探索欲望，通過此后半個多世紀的研究和發展，分子機器神秘的面紗終究被一點點揭開。

美國西北大學的教授弗雷澤·斯托達特（Fraser Stoddart）給分子機器的定義是：在合適的外界刺激下能夠執行像機器一樣的運動的分子組裝體。作為一種超分子體系，分子機器各組分之間相互作用都較弱，即使有合適的外界刺激，也很難形成有效的運動軌道，即很難形成分子內的相對運動，也就無法實現機器的功能。解決這一矛盾主要得益于基于機械鍵的互鎖分子組裝體的出現，這些組裝體也就是我們通常所說的索烴和輪烷。1953年沃森和克里克用模型搭出了DNA的雙螺旋結構，同年機械互鎖分子的概念被提出。20世紀60年代這些分子終于被合成分離出來，但是普遍面臨合成難度大、產率低的困境。直到1983年，法國路易斯巴斯特大學教授讓-皮埃爾·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）領導的研究小組用金屬模板法高效地合成了索烴，此后分子機器的發展進入了嶄新的篇章。分子機器研究領域中另一個重要的里程牌出現在1991年，當時就職于英國謝菲爾德大學的弗雷澤·斯托達特利用芳香物種間給電子-缺點子相互作用的模板高效地合成了輪烷。自此，分子機器的設計合成擺脫了隨機概率，進入人工可控階段。1994年，索瓦日合成了一例可以依靠電化學進行旋轉驅動的索烴------分子梭，分子器件進入可以像機器一樣在能量驅動下“動”起來的新發展期。然而這一時期化學家們對如何控制分子機器的單向旋轉方面束手無策。直到1999年，荷蘭格羅寧根大學教授伯納德·費林加發明了基于可異構化碳碳雙鍵的分子馬達，第一次實現了分子機器的單向轉動，推動了分子機器的研究進入一個全新的發展階段。在此后至今近20年，費林加不斷改進他的分子馬達并且嘗試將分子馬達與其他納米系統結合來發展轉動分子機器。例如2005年他通過光驅動分子馬達轉動推進金納米粒子表面粒子運動，2006年他通過分子馬達的轉動帶動液晶膜的旋轉，而且可以定向轉動其上一支亞毫米級的玻璃棒，2011年，他用分子馬達構筑了一輛“分子汽車”并通過外加電壓驅動汽車在平面上移動。瑞典皇家科學院在2016年10月5日宣布，將2016年諾貝爾化學獎授予讓-皮埃爾·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）、弗雷澤·斯托達特（Fraser Stoddart）和伯納德·費林加（Bernard Feringa）三位化學家以表彰他們在分子機器設計與合成領域所做出的杰出貢獻。

科學家已經初步證明生物機器與人工合成的分子機器實質上遵守著相同的法則。把多種不同的可切換型催化劑投放到同一個溶液體系中，利用它們各自的催化特點，使目標分子按照一定的反應順序生成更加復雜的最終產物，是人類模擬酶作用機制的終極目標。

參考文獻：

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