诺贝尔化学奖 世界上最小的机器

苗千

“如果我们可以随心所欲地排列原子，物质会具有哪些性质？”

物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在1959年的一次著名的演讲《在底层还有很大的空间》（Theres Plenty of Room at the Bottom）中提出了这个问题。他推绎道：“在理论上这是个很有趣的问题。我实在想不到会发生些什么，但是我不怀疑，当我们可以在极小的尺度下操纵物质的排列形式，我们就将可以利用物质所展现出来的各种各样的特性做各种不同的事。”在短短几十年之后，化学家们已经可以合成出各种新奇的分子，并且制造出世界上最小的分子机器，以一种他未曾想到的方式实现了他的梦想，三位杰出的化学家也因此获得了诺贝尔化学奖。

2016年诺贝尔化学奖授予了法国斯特拉斯堡大学的让-皮埃尔·索维奇（Jean-Pierre Sauvage）、美国西北大学的弗雷泽·斯托达特（J.Fraser Stoddart）和荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费林加（Bernard L.Feringa）（三人各获得三分之一奖金）。正是这三位化学家最先实现了费曼的梦想，利用高超的实验手段，操纵原子的排列形式，合成出新奇的分子，从而设计出各种分子机器。他们的成果不仅对于基础化学研究有巨大的贡献，拓展了人类对于化学的认识，也在未来有着无限的应用前景。

我们可能理解一部电梯或是一辆汽车的运行原理，但是，如果把这些机器缩小到纳米级，到了分子的层面，就会超出人类的想象力了。这种尺寸上的缩小也让人类更深刻地理解自然界，认识到分子可以有不同的结合方式——这些成就，都是由化学家们合成出各种此前在自然界中并不存在的新奇分子开始的。

在20世纪中期，科学家们开始合成各种各样或新奇或复杂的分子，也开始尝试着把各种环形的分子链接在一起，创造出全新的分子。分子大多是由构成它的各个原子通过共用电子对形成“共价键”获得一个相对稳定的结构。而两个环形的分子形成一个链条形的分子，让人类在共价键的形式之外，认识到在分子世界中还存在着另外一种结合形式：机械键。但是在当时制造这样的分子太过困难烦琐，并没有太大的研究价值。

荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费林加

直到20世纪80年代，索维奇在1983年首先实现了制造分子机器的第一步：他把两个环形分子结合在一起，形成了一个链条，被称作“轮烷”。对于一部机器来说，最重要的一个因素就是机器中的一部分必须可以相对于其他部分自由运转。索维奇合成出这种具有机械键的分子，可以说迈出了关键的一步，使人类制造出分子机器成为可能。

当时索维奇的研究小组正在研究光化学，他们希望能够利用阳光中的能量促成化学反应。而当他建立一个光化学的反应模型时，他发现这与分子链的结构非常相似——两个环形分子围绕着一个中央铜离子相互缠绕。索维奇从中得到启发，他的研究小组首先合成出一个环形分子和一个半圆形的分子，并且在其中放置了一个铜离子。被放置在中间的铜离子起到了一种“黏合作用”，可以吸引另外一个半圆形的分子与之结合，这样也就形成了两个圆形的分子的相互链接。

在1991年，斯托达特的研究小组做出了建造分子机器的又一个突破，以另外一种方式制造出分子发动机。他的研究小组合成了一种缺少电子的分子环，又合成出另外一种拥有富余电子的分子“长轴”。当这两种分子在溶液中相遇，分子环就会套在长轴之上。斯托达特发现，通过给这种分子加热，分子长轴上的环形部分就会往复运动，到了1994年，他已经可以完全控制这种运动，成为另外一种分子发动机的雏形——这种分子可以像电梯一样运转，把自己提升到物质表面0.7纳米的高处。另外，根据这种分子的不同状态，可以用来表示“0”和“1”两个数字，把它作为某种“分子内存”。斯托达特与合作者就是利用这样的分子制造出了20KB的分子内存。

在此基础上，费林加制造出了“分子发动机”。他领导的研究小组合成出一种分子，在紫外线的照射下，这种复杂分子的一部分可以沿着同一个方向旋转180度——由此他们很快制造出了一种特殊的分子，一秒钟可以旋转1.2万圈。在紫外线提供的动力的驱使下，很多分子发动机共同工作，足以旋转体积是自身1万倍、长达28微米的玻璃棒。费林加在2011年最终利用这种分子发动机设计出一款纳米级的“分子四驱车”：在紫外线的照射下，由四个分子发动机构成的分子汽车向前行驶。

美国西北大学的弗雷泽· 斯托达特 法国斯特拉斯堡大学的让- 皮埃尔·索维奇

这三位化学家制造出了世界上最小的机器。尽管目前对于分子机器的研究还处于起步阶段，就连这三位化学家现在也说不清这些分子机器在未来能有什么样的应用，但毫无疑问的是，他们的基础性工作为人类打开了一个全新的工具箱。所有这些发明的本质，都在于他们利用这种全新的机械性的化学键，合成出各种此前在自然界并不存在的新奇分子，让分子的一部分可以进行循环往复的运动，从而提供动力。

斯托达特说，化学家们每天都可以合成数以千计的新化合物，每周都会发现一两种新型的化学反应，但是发现和利用这种新型的化学键却只发生过一次，这对于基础化学来说是一次进步。费林加也评论说，只要能够控制分子运动的方式，那么一切都有可能实现。科学家们预测，在20至25年之内，人类将可以利用各种分子机器进行实际的工作，从在人体内运输药物和探测疾病，到制造新型的电脑内存，这些分子机器在未来人类社会的各个领域一定会有广泛的用途。