科普:新科诺奖成果揭示世界最小机器诞生历程

作者: 和苗 付一鸣 来源: 新华社 日期: 2016-10-06

新华社斯德哥尔摩10月5日电(记者和苗 付一鸣)世界上存在小到只有千分之一头发丝粗细的机器吗?答案就是刚刚助力三位科学家摘得2016年诺贝尔化学奖的分子机器。

分子机器是指在分子层面的微观尺度上设计开发出来的机器,在向其提供能量时可移动执行特定任务,是纳米研究领域的重点。诺贝尔奖评选委员会表示,让-皮埃尔·索瓦日、弗雷泽·斯托达特、伯纳德·费林加三位科学家发明了“世界上最小的机器”,将化学发展推向了一个新的维度。

这是一个关于科学家们如何将分子成功连接起来并设计出从微型电梯、微型发动机到分子肌肉的故事。人类是如何用自己一双大手来制造出需要电子显微镜才能观察到的分子机器?

能够发明分子机器,首先最重要的就是这三位科学家努力驱动分子系统远离所谓的平衡态。所有的化学系统都力图达到平衡态,可以减少能量消耗,但是这也会形成“僵局”。

就像人的生命一样,人体内的分子可以从食物中获取能量,进而推动人体的分子系统远离平衡态,向更高水平的能量状态发展,这样人体才有可能利用这些能量推动肌体正常工作,维持生命。而一旦人体处于化学平衡态,人就会死亡。

三位科学家的成就能够获得诺奖青睐,就在于他们的研究促使分子系统摆脱了平衡态,并能受控执行特定任务,为化学的发展开启了一个新世界。

迈向分子机器的第一步是索瓦日于1983年实现的,他成功将两个环状分子扣在一起,形成一种名为“索烃”的链条。通常情况下,分子是由原子间共享电子对构成的强共价键连接而成,而“索烃”链上的分子间主要依靠相对较为自由的机械相互作用连接,不被任何价键连接。对于一个能够完成特定任务的机器来说,必须有能够相互移动的部件组成,而索瓦日实现了两个互锁环状分子的相对移动。

到了1991年,斯托达特实现了分子机器诞生的第二步,他成功合成了“轮烷”。轮烷是一个或多个环状分子和一个或多个哑铃状的线形分子为轴组成的分子集合。哑铃状的线形分子作轴穿过环状分子的空腔,两端结合有体积较大分子以防止线形分子滑出,从而形成了稳定的轮烷结构。

基于上述研究成果,斯托达特的研究团队先后成功实现环状分子在线形分子表面上升0。7纳米的“分子电梯”,用轮烷构成的“分子肌肉”成功弯折了一块很薄的金箔,还开发出一种基于轮烷的计算机芯片,被认为在将来有望颠覆传统的计算机芯片技术。

费林加则是研发出分子马达(分子发动机)的第一人。1999年,他研制了一个分子转子叶片,叶片能够朝着同一方向持续旋转。这个马达可以让一个28微米长、比马达本身大1万倍的玻璃缸旋转起来。2011年,费林加的研究小组在分子马达的基础上制造了一款四驱纳米汽车,一个分子底盘将4个分子马达连接在一起作为轮子,当分子马达旋转时,纳米汽车就能向前行驶。

至此,分子机器动起来了。

近年来,三位诺奖得主的成果已经成为全世界科研人员开发分子机器的“工具箱”,开创了分子机器的发展道路。目前已有科学家在轮烷的基础上建造出一个可以抓取并连接氨基酸的分子机器人;还有研究人员将分子马达和长聚合物相连,形成复杂的网络,将光能储存在分子中,有望开发出新型电池及光控传感器。

评选委员会表示,就像19世纪30年代,当电动马达被发明出来时,科学家未曾想过它会在电气火车、洗衣机、电风扇上被广泛运用,给人类生活带来翻天覆地的变化。正如当年的电动马达一样,分子机器未来很有可能将用于开发新材料、新型传感器和能量存储系统等,为人类的未来提供了无限可能。

 

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编辑:张宇帆
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