諾獎得主費林加：造“小”的藝術(shù)

陳冰

費林加指出，對年輕人來說，最重要的是要提出問題。攝影/岑丹峰

世界上最小的機器有多小？答案是只有發(fā)絲千分之一粗細(xì)！在合成化學(xué)領(lǐng)域，微型電梯、微型電機、微縮肌肉，它們都有一個共同的名字：分子機器。

5月中旬，2016年諾貝爾化學(xué)獎得主伯納德·盧卡斯·費林加（Bernard Lucas Feringa）在“浦江科學(xué)大師講壇”上，以《造“小”的藝術(shù)：從分子開關(guān)到分子馬達(dá)》為題，分享了他的科研故事，以及他對于學(xué)術(shù)與創(chuàng)新的洞見。

從荷蘭農(nóng)場走出的諾獎大師

無論科技多么發(fā)達(dá)，費林加總會懷念童年時代的農(nóng)場生活。那是他夢想開始的地方——一個美麗的荷蘭小鄉(xiāng)村。12歲之前，費林加從未離開過那里。他有個很大的家庭，在9個兄弟姐妹中，他排行第二。

在費林加記憶里，家鄉(xiāng)的一切都是那么新奇有趣。“對年輕人來說，最重要的是要提出問題。”為什么花朵如此美麗？為什么春天作物生長？一個個問題背后，是幼時的費林加對世界的好奇。

在農(nóng)場的閣樓上，費林加擁有了一座小小的化學(xué)實驗室，這是他在化學(xué)王國里的第一塊自己的領(lǐng)地。在那里，他親手合成化合物，觀察漂亮的晶體，通向科學(xué)的冒險之旅就此啟程。

“我喜歡分子世界，但是在分子美麗的花園中，我也常常迷路，找不準(zhǔn)方向，但是這些讓人‘繞圈圈的問題是最有趣的，它們會帶來意想不到的答案，改變我們的世界。”

懷著對分子研究的熱情，費林加進(jìn)入格羅寧根大學(xué)（University of Groningen）學(xué)習(xí)。其間，他親手做出了一個分子。“記得當(dāng)時我告訴教授我做出了分子，他說，世界上在你之前沒有人做出過這個，這個分子是屬于你的。”提起這件事，費林加今天依然驕傲，“盡管這個分子并沒有什么用處”。

至于幾十年后能獲得諾貝爾獎，是費林加壓根沒想過的事情。“就像參加奧運會的運動員，不是一天到晚想著拿金牌的。這需要努力訓(xùn)練，還有點運氣。”

費林加主要研究“分子機器”，這是一種能在分子層面上實現(xiàn)將外部能量輸入轉(zhuǎn)化成運動輸出的裝置。通俗地說，就是由許多不同分子水平部件組裝在一起的裝置，這些分子部件在外部刺激下，可以像機器一樣運動，是一種超分子體系。

分子機器就作為在分子層面這種微觀尺度上運行的機器，也可以說是世界上最小的機器。與日常生活中我們所使用的、主要基于機械和物理原理的機器不一樣，分子機器聚焦于分子研究。未來，分子機器有可能被用于新型傳感器、新材料和能量儲存系統(tǒng)等前沿領(lǐng)域。

“分子開關(guān)”是其中一個非常重要的研究成果。

什么是開關(guān)？能夠在0和1兩種狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的分子就是開關(guān)。費林加俏皮地眨眨眼：“眼睛就是一種最簡單的生物開關(guān)。”而分子開關(guān)則將0和1的轉(zhuǎn)換帶到了納米級的尺度。

費林加相信，分子開關(guān)的光敏性與可以對患處實現(xiàn)精準(zhǔn)治療的特點，讓它能夠在醫(yī)藥行業(yè)大顯身手。“眾所周知，細(xì)菌的耐藥性是人類的‘定時炸彈，于是我們生產(chǎn)了能夠以光來激活的抗生素，通過光線的照射實現(xiàn)開啟和關(guān)閉。”

他向大家展示了自己的實驗，培養(yǎng)皿中的細(xì)菌在沒有光線的地方可以正常生長，而在有光照的地方無法生存。“這意味著，未來藥品會變得更加安全。”

5人，8年，造出2納米微型車

“我們要以什么樣的方式面對未來？”略作停頓后，費林加伸手向前輕輕一握，“迎接未來最好的方式就是‘創(chuàng)造未來。”

因為喜歡發(fā)明，費林加做過很多有趣的嘗試——荷蘭以風(fēng)車著名，他便想著用分子來搭一座風(fēng)車，“有底柱、風(fēng)葉和軸，通過光的驅(qū)動，能像真正的風(fēng)車一樣轉(zhuǎn)起來。”甚至造出一整個能放在水平面上的“分子風(fēng)車公園”。

費林加合成的分子馬達(dá)，則是將宏觀意義上的發(fā)動機在微觀層面進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，是分子機器的關(guān)鍵組成部件之一。費林加的課題組通過借鑒DNA這個右手性的螺旋體制造了會旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)，且通過模擬人眼中的光分子開關(guān)來控制馬達(dá)速度。課題組還借鑒月亮繞行地球的方式，制造了旋轉(zhuǎn)時永遠(yuǎn)固定朝向的分子馬達(dá)；借鑒人類細(xì)胞光開關(guān)的工作原理，制造了光驅(qū)動的分子馬達(dá)從而構(gòu)建出柔軟的人造“肌肉”。

控制分子馬達(dá)運動最重要的問題是什么？“那就是控制馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，包括速度和方向。”費林加研制的第一個分子馬達(dá)，一小時只能轉(zhuǎn)一圈，“可不能把這個馬達(dá)安在車上，太慢了”，而最新的分子馬達(dá)一秒鐘可以旋轉(zhuǎn)1000萬圈，這是個驚人的進(jìn)步。

實際上，“用分子制造機器”這一想法早已有之。早在1959年，物理學(xué)家理查德·費曼（Richard Phillips Feynman）就談到過“在小范圍內(nèi)操縱和控制事物”的問題，其中“小范圍”指的就是由一個或幾個分子所組成的機器。

二十年后，納米技術(shù)先驅(qū)埃里克·德雷克斯勒（Eric Drexler）偶然發(fā)現(xiàn)了費曼關(guān)于機器講座的抄本。他在費曼設(shè)想的基礎(chǔ)上做出了進(jìn)一步發(fā)展，于1981年發(fā)表了一篇名為《分子工程》的論文。在文章中，德雷克斯勒提出了通過分子大小的機器在原子尺度上操縱化學(xué)過程甚至構(gòu)建新材料的設(shè)想。

再后來，便是三位諾獎得主的工作。首先，索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）教授成功合成了一種名為索烴（catenane）的兩個互扣的環(huán)狀分子，這兩個分子能夠相對移動；隨后，斯托達(dá)特（Sir J. Fraser Stoddart）教授合成了輪烷（rotaxane），即將一個環(huán)狀分子套在一個啞鈴狀的線形分子軸上，且環(huán)狀分子能圍繞這個軸上下移動，并成功實現(xiàn)了上升高度達(dá)0.7納米的“分子電梯”和可以彎折黃金薄片的“分子肌肉”；最后，費林加教授設(shè)計并合成分子馬達(dá)。有了這三種關(guān)鍵部件，分子機器的概念才得以完全構(gòu)建起來。

對于化學(xué)特別是有機化學(xué)領(lǐng)域的科研工作者來說，其重要使命就是合成這個世界上不存在的新分子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)新材料功能，同時提供新的科學(xué)見解。

費林加親手做出的第一個獨屬于自己的分子。

費林加說，今天我們深入微觀世界，研究“小”的藝術(shù)，便是在另一種時空尺度上迎接新的機遇與挑戰(zhàn)。

首先，“小”是一切“大”的基礎(chǔ)。研究肉眼不可見的微小之物，有助于我們理解世界的運行規(guī)律——這不僅僅是科學(xué)家出于好奇心的探索，也是人類追尋世界本源、拓寬認(rèn)知邊界的重要一步。

科學(xué)研究中，所有的門路都要自己摸索，到底哪里走得通一開始誰都不知道，所以你必須允許犯錯，并會從錯誤中學(xué)到知識。

其次，“小”本身也有獨特價值。對“小”的研究可以重塑我們的生活方式。生活在上個世紀(jì)的人大概無論如何也想象不到，今天的我們可以把曾經(jīng)塞滿整個房間的電腦捧在手上。正是由于幾十年來科學(xué)家們不斷縮小晶體管尺寸的努力，才有了人類今天交流與獲取信息的便捷。

由此可見，如果將機器做到分子尺度，也可能給人類社會帶來革命性的改變。當(dāng)然，建造分子機器所面臨的問題與上述領(lǐng)域并不相同——它是化學(xué)和物理學(xué)科的重大挑戰(zhàn)，主要集中于合成化學(xué)、分子組裝與納米技術(shù)等方面。

費林加設(shè)計并合成了一個能定向旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)（molecular motor），這個馬達(dá)可以帶動一個比它本身大1萬倍的玻璃棒（28微米長）旋轉(zhuǎn)起來，從而完成了分子機器領(lǐng)域研究的關(guān)鍵一環(huán)。“一旦在分子層面控制了運動，就為控制其他各種形式的運動提供了可能。這一研究成果為未來新材料的研發(fā)開啟了廣闊前景。”他說。

目前，這些技術(shù)已經(jīng)用于抗癌新藥上，比如，通過光開關(guān)來控制抗癌藥物的作用，當(dāng)人體照射紅外線時，藥物的作用開關(guān)就會開啟。“未來，我們甚至可以把帶有分子馬達(dá)的納米機器人注入到人體內(nèi)，清晰地觀測到某個細(xì)胞的問題。到那時候，也許只需曬曬太陽，就可以讓分子機器把藥物精準(zhǔn)地遞送到那些問題細(xì)胞。”

費林加坦言，這些雖然現(xiàn)在聽起來還很科幻，但在未來完全可以實現(xiàn)。“基礎(chǔ)研究的關(guān)鍵是，我們每個人都必須走出自己的地平線，做出新的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新，向自然尋求靈感。”

通過耦合分子馬達(dá)，費林加團(tuán)隊還研制出四輪“分子車”。在這輛大小僅有2納米超微型的車上，分子馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)的力轉(zhuǎn)化成為平移的力，世界上最小的車就這樣開動了。

在這輛大小僅有2納米超微型的車上，分子馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)的力轉(zhuǎn)化成為平移的力，世界上最小的車就這樣開動了。

為了造出這輛微型納米車，費林加和4個學(xué)生花了足足8年時間。一開始他們造出來的四輪納米車，所有輪子往一個方向旋轉(zhuǎn)，車子只能原地打轉(zhuǎn)不能前進(jìn)。團(tuán)隊花了3年糾正錯誤。

但費林加不怕犯錯，也建議大家千萬不要害怕犯錯。

“科學(xué)研究中，所有的門路都要自己摸索，到底哪里走得通一開始誰都不知道，所以你必須允許犯錯，并會從錯誤中學(xué)到知識。”

學(xué)習(xí)，永遠(yuǎn)在路上

分子馬達(dá)、納米車、分子機器……對于很多人來說，費林加做的研究聽上去像是科幻片，距離日常生活依然遙遠(yuǎn)。

事實上，基礎(chǔ)研究到現(xiàn)實應(yīng)用從不會一蹴而就。費林加最為頭疼的問題之一，就是經(jīng)常被問“你的研究有什么用”。

“現(xiàn)在的分子馬達(dá)，相當(dāng)于19世紀(jì)30年代的電動馬達(dá)，那時的研究者僅僅在實驗室里展示各式各樣的旋轉(zhuǎn)曲柄和動輪，絲毫不知這些東西將導(dǎo)致洗衣機、風(fēng)扇的誕生。”費林加相信，通過不同學(xué)科的協(xié)力與合作，能鋪就未來發(fā)展之路。

費林加暢想，現(xiàn)在，分子馬達(dá)和分子車已經(jīng)可以做出旋轉(zhuǎn)、平移、推動這樣精彩的運動，50年后，它們或許會迎來實質(zhì)性應(yīng)用，那時將做得更多、更好。

比如在醫(yī)療領(lǐng)域，分子機器可以進(jìn)入人體精準(zhǔn)靶向遞送藥物，為癌癥治療提供助力；在材料領(lǐng)域，分子機器可以制造能夠進(jìn)行自清潔和自修復(fù)的材料；在計算機領(lǐng)域，分子機器可以成為信息的存儲單元……

“怎樣創(chuàng)造未來、解決人類現(xiàn)有困境？分子納米技術(shù)可以提供一種路徑，其他學(xué)科也有自己的路徑，但最重要的是我們要將智慧和努力結(jié)合起來。”費林加的團(tuán)隊和合作對象中包括許多不同國家、不同專業(yè)的學(xué)者，他也正通過學(xué)習(xí)，與不同學(xué)科對話交流，激發(fā)更多研究靈感。“科學(xué)的旅程是一場冒險，對于年輕人來說，保持好奇、勇于探索是最重要的。”

對于青年學(xué)子，費林加總不吝給予最熱情的鼓勵，同時不忘建議，學(xué)術(shù)研究行穩(wěn)致遠(yuǎn)的訣竅，需要“兩條腿”走路，而不能“單腳跳”——一方面，致力創(chuàng)新突破，爭取得出開創(chuàng)性成果；另一方面，也要在自己熟悉的領(lǐng)域做些研究，為自己積攢學(xué)術(shù)聲譽，提高學(xué)術(shù)能力。“這樣一來，即使遇到失敗也有緩沖的余地。”

“有人說，你得了諾貝爾獎，不需要再學(xué)習(xí)了。”

費林加則表示：“不是的，當(dāng)我們想要制造智能藥品（smart medicine），就要和生物學(xué)家、臨床醫(yī)生合作，我需要了解他們的知識。我們相互學(xué)習(xí)、相互欣賞，這極其重要。”

費林加的科研團(tuán)隊匯集了13個國家和地區(qū)的學(xué)生。

正如幾年前，他專門買了本細(xì)胞學(xué)的書，1200頁，像個大一新生一樣從頭學(xué)起，一步步理解并實踐著偶像達(dá)·芬奇在150年前說的那句名言——“當(dāng)自然完成了對它的物種的生產(chǎn)的時候，人類就要開始在自然的幫助下創(chuàng)造無限的種族和物種。”

從大學(xué)畢業(yè)后，費林加在產(chǎn)業(yè)界工作了一段時間，后來又回到大學(xué)任教。他說，自己一直記得自己的導(dǎo)師漢斯·溫伯格的名言：“希望每一個孩子在他的一生中，都有一個能讓他變得與眾不同的好老師。”所以，他也樂于和不同年齡段的學(xué)子保持密切的交流。“教育不應(yīng)該是重復(fù)，而應(yīng)該讓學(xué)生通過做各種豐富的實驗、在實踐中學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在對世界的探索中學(xué)習(xí)。”

“未來需要靠年輕人來創(chuàng)造，我花時間和青少年交流，不是為了現(xiàn)在，而是為了未來——為了他們能在將來更好地塑造這個世界。”費林加說。（殷夢昊、張菲埡、劉栩含對本文亦有貢獻(xiàn)）

院士小傳

伯納德·盧卡斯·費林加

1951年出生于荷蘭，有機化學(xué)家，主要從事分子機器與有機不對稱催化等領(lǐng)域的研究。2016年的諾貝爾化學(xué)獎頒給了包括費林加教授在內(nèi)的三位科研人員，以表彰他們在分子機器領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)。其中，費林加教授設(shè)計并合成了一個能定向旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)，完成了分子機器領(lǐng)域研究的關(guān)鍵一環(huán)，從而引發(fā)“分子革命”，將化學(xué)研究推向了一個新維度。

目前，費林加是范特霍夫分子科學(xué)名譽教授，荷蘭皇家科學(xué)院院士、歐洲科學(xué)院院士、美國國家科學(xué)院院士、美國人文與科學(xué)院外籍院士、中國科學(xué)院外籍院士。