同獲諾貝爾獎(jiǎng)的三位化學(xué)大叔

　　這三位獲獎(jiǎng)?wù)甙l(fā)明了“世界上最小的機(jī)器”，這一發(fā)明將化學(xué)研究推向了一個(gè)全新的維度，從而使分子的行動(dòng)具有可控性。 
杰出的美國(guó)物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主理查德•費(fèi)曼先生，曾經(jīng)在1984年提出了一個(gè)問(wèn)題：“制造極其微小的、有可移動(dòng)部件的機(jī)器的可能性有多大？” 
而2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)則很好地回答了這個(gè)問(wèn)題：人類目前已經(jīng)能夠做出相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑千分之一大小的機(jī)器。 
那么登上諾貝爾領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)的分子機(jī)器究竟什么來(lái)頭？制造這號(hào)稱世界上最小的機(jī)器究竟有多大的難度？它又能夠?yàn)槿祟悗��?lái)怎樣的福音呢？下面就讓小編帶您走進(jìn)分子機(jī)器的微妙世界。

圖1 2016諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)三位獲獎(jiǎng)科學(xué)家（左起：索維奇、斯托達(dá)特、費(fèi)林加）

這個(gè)“機(jī)器”不簡(jiǎn)單 
　　一提到機(jī)器，我們首先都會(huì)聯(lián)想到金屬材質(zhì)的大型機(jī)器。然而我們這里要講的分子機(jī)器，是指由分子尺度的物質(zhì)構(gòu)成、能行使某種加工功能的機(jī)器，其構(gòu)件主要是蛋白質(zhì)等生物分子。簡(jiǎn)單地說(shuō)，分子機(jī)器就是由三位科學(xué)家通過(guò)人工創(chuàng)造的一種比納米尺度還小的新物質(zhì)。這種分子特別小，是以原子為材料，可以稱之為目前世界上的最小機(jī)器。這種“世界上最小的機(jī)器”是在分子層面上設(shè)計(jì)開發(fā)出來(lái)的機(jī)器，可以進(jìn)行可控的運(yùn)動(dòng)，在向其充能時(shí)可移動(dòng)執(zhí)行特定任務(wù)。諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)表示，分子機(jī)器將最有可能應(yīng)用于開發(fā)新的材料、傳感器和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。 
其實(shí)，存在于生物體系里的分子機(jī)器無(wú)處不在，比如血紅蛋白對(duì)氧氣和二氧化碳的傳送，細(xì)胞運(yùn)送各種離子等，都是依靠生物分子機(jī)器運(yùn)作的結(jié)果，這些生物分子機(jī)器就像宏觀的汽車、飛機(jī)一樣，驅(qū)動(dòng)著生物體的微觀體系，并偏離平衡態(tài)，從而做功和維護(hù)生命過(guò)程。此次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，開創(chuàng)了一種新的可能：生物體內(nèi)那些像機(jī)器一樣運(yùn)轉(zhuǎn)的東西，可以利用基本的非生命體化合物來(lái)合成，并用這些非生命體的分子機(jī)器來(lái)模擬生命體的分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而開啟一個(gè)新的時(shí)代。同時(shí)，人類研究生物體不再是簡(jiǎn)單地用生物的方法去研究，而開始用化學(xué)的方法去模擬未來(lái)的世界。

圖2分子馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖

“三步走”造出分子機(jī)器 
　　作為世界上最小的機(jī)器，實(shí)現(xiàn)納米尺度上的驅(qū)動(dòng)與空寂，難度可想而知。相較于技術(shù)操作上的高難度，分子機(jī)器的設(shè)計(jì)原理就簡(jiǎn)單許多。通常，分子是由原子間形成的共價(jià)鍵組成的，比如兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子由共價(jià)鍵連接形成水分子。但是，分子機(jī)器卻是在非共價(jià)鍵弱相互作用力下由不同的構(gòu)筑基元組裝而成，就像堆積木，不同形態(tài)的積木組合成不同的結(jié)構(gòu)，而后通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)固下來(lái)。
那么，科學(xué)家又是怎樣一步一步實(shí)現(xiàn)了分子機(jī)器的組裝呢？ 
首先，索維奇在1983年成功完成了構(gòu)建分子機(jī)器的第一步。他將兩個(gè)互扣的可以彼此互相運(yùn)動(dòng)的環(huán)形分子套在一起，形成一個(gè)穩(wěn)定的超分子結(jié)構(gòu)，稱為“索烴”。通常情況下，分子之間通過(guò)強(qiáng)共價(jià)鍵也就是共用電子的方式相結(jié)合，但是在索烴這種鏈狀分子中，分子間形成了自由的機(jī)械結(jié)合，這樣它的各個(gè)組成部分之間就可以像機(jī)器一樣可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而執(zhí)行任務(wù)。 
隨后，斯托達(dá)特在1991年完成了研發(fā)分子機(jī)器的第二步，他研究出了“輪烷”——一種環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)與軸狀分子結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)合體。他將一個(gè)環(huán)狀分子環(huán)穿到一個(gè)鏈狀結(jié)構(gòu)分子軸上，并且利用環(huán)狀分子的自由性使其繞軸往復(fù)移動(dòng)，做到對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的完全控制。在輪烷研究的基礎(chǔ)之上，他成功制造出了大量不同的分子機(jī)器，其中包括分子起重機(jī)，分子肌肉和基于分子的計(jì)算機(jī)芯片。 
而費(fèi)林加則完成了第三步，成功開發(fā)出了世界上第一個(gè)分子馬達(dá)。1999年，費(fèi)林加發(fā)明出了可以向同一個(gè)方向不停旋轉(zhuǎn)的分子轉(zhuǎn)子葉片：它含有兩個(gè)相同的葉片單元，當(dāng)分子被暴露在紫外線光的脈沖下，一個(gè)動(dòng)葉片圍繞中間的雙鍵跳了180度。然后，棘輪移動(dòng)到指定位置。隨著下一個(gè)光脈沖的帶來(lái)，動(dòng)葉片又跳了180度。如此持續(xù)下去，分子馬達(dá)就會(huì)朝同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。現(xiàn)在他的研究小組已經(jīng)將其優(yōu)化，轉(zhuǎn)速可達(dá)每秒1200萬(wàn)轉(zhuǎn)。利用分子馬達(dá)，他驅(qū)動(dòng)了一個(gè)28微米長(zhǎng)、比馬達(dá)本身大1萬(wàn)倍的玻璃圓筒。 
小身材內(nèi)蘊(yùn)藏著無(wú)限可能 
獲獎(jiǎng)當(dāng)天，索瓦吉在答復(fù)瑞典皇家科學(xué)院的提問(wèn)時(shí)稱，他自我感覺像是一百多年前首次實(shí)現(xiàn)人類飛行夢(mèng)想的萊特兄弟。當(dāng)時(shí)人們還對(duì)為何發(fā)明飛行器心存疑問(wèn)，“但是，我們現(xiàn)在已經(jīng)有了波音和空客。”
其實(shí)分子機(jī)器之于我們就如電動(dòng)機(jī)之于19世紀(jì)的人們，那時(shí)的人們也沒有想到這些線圈和磁石會(huì)化為電車、洗衣機(jī)等生活中的重要角色走進(jìn)千家萬(wàn)戶。 
科學(xué)家們表示，未來(lái)分子機(jī)器的應(yīng)用前景將是“無(wú)限的”：分子機(jī)器可以搭載藥物，進(jìn)行藥物的定點(diǎn)精確釋放；它還可以成為微小的存儲(chǔ)單元，進(jìn)行高密度存儲(chǔ)等。 
科學(xué)家認(rèn)為，分子機(jī)器的誕生是一次具有深遠(yuǎn)意義的革命，很有可能做出在血管中流動(dòng)的機(jī)器人，然后找到惡性腫瘤組織，釋放治癌藥物，徹底攻克癌癥。除了可以用于治療疾病，考慮到分子機(jī)器大小僅有頭發(fā)粗細(xì)的千分之一，還可以將其置于體內(nèi)監(jiān)測(cè)人體的健康狀況，應(yīng)用于預(yù)防疾病等方面。

圖3 分子馬達(dá)第一人——伯納德•L•費(fèi)林加（Bernard L.Feringa）

　　今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)無(wú)疑是對(duì)分子機(jī)器領(lǐng)域發(fā)展方向的肯定，分子機(jī)器的出現(xiàn)就像19世紀(jì)30年代出現(xiàn)電機(jī)一樣，勢(shì)必成為之后幾年研究關(guān)注的焦點(diǎn)領(lǐng)域，這一領(lǐng)域雖然距離馬上有實(shí)際應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)，但讓人看到如何在分子水平控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)，令人震撼。分子機(jī)器未來(lái)一定可以成功敲開應(yīng)用的大門，推動(dòng)人類文明進(jìn)程滾滾前進(jìn)！