2016年同获诺奖的三位化学大叔

瑞典皇家科学院将2016年诺贝尔化学奖授予三位科学家，让-皮埃尔·索维奇、J·弗雷泽·斯托达特和伯纳德·L·费里加，以表彰他们在分子水平上掌握了控制运动的技术。

这三位获奖者发明了“世界上最小的机器”，将化学研究推向了一个全新的层面，从而使分子行为变得可控。

杰出的美国物理学家和诺贝尔奖获得者理查德·费曼曾在1984年问了一个问题:“制造带有可移动部件的极其微小的机器的可能性有多大？”

2016年诺贝尔化学奖很好地回答了这个问题:人类已经能够制造出直径为头发丝千分之一的机器。

那么，分子机器在诺贝尔领奖台上的具体位置是什么？这台号称世界上最小的机器有多难制造？它能给人类带来什么好消息？让边肖带你进入分子机器的微妙世界。

三位科学家获得2016年诺贝尔化学奖(左起:索维奇、斯托达特和费里加)

这台“机器”不简单

说到机器，我们首先想到的是由金属制成的大型机器。然而，我们在这里要讨论的分子机器是指由分子尺度的物质组成的机器，它可以执行某些处理功能。它的成分主要是生物分子，如蛋白质。简而言之，分子机器是一种比三位科学家创造的纳米尺度更小的新物质。这种分子非常小，以原子为材料。它可以被称为目前世界上最小的机器。这种“世界上最小的机器”是一种在分子水平上设计和开发的机器，它可以进行可控的运动，并在充电时移动以完成特定的任务。诺贝尔委员会表示，分子机器最有可能被用于开发新材料、传感器和能量存储系统。

事实上，存在于生物系统中的分子机器无处不在。例如，血红蛋白转移氧气和二氧化碳，细胞运输各种离子，等等，都依赖于生物分子机器运行的结果。这些生物分子机器，像大型汽车和飞机一样，驱动微生物的微观系统并偏离平衡状态，从而做功并维持生命过程。三位获得诺贝尔化学奖的科学家开创了一种新的可能性:在生物中像机器一样工作的东西可以通过使用基本的无生命化合物来合成，这些无生命的分子机器可以用来模拟生物中分子机器的操作，从而开启了一个新的时代。与此同时，人类研究生不再简单地用生物学方法来研究对象，而是开始用化学方法来模拟未来世界。

分子马达旋转示意图

构建分子机器的“三步走”

作为世界上最小的机器，很难实现纳米级的驱动和空性。与高难度的技术操作相比，分子机器的设计原理要简单得多。一般来说，分子由原子之间形成的共价键组成，例如，两个氢原子和一个氧原子通过共价键连接形成水分子。然而，分子机器是由不同的建筑元素在非共价键的弱相互作用力下组装而成的，就像堆叠的木头一样，不同形式的建筑块组合成不同的结构，然后通过化学反应使结构稳定。

那么，科学家是如何逐步实现分子机器的组装的呢？

首先，Sovic在1983年成功地完成了制造分子机器的第一步。他将两个环环相扣的分子嵌套在一起，这两个分子可以相互移动，形成一个稳定的超分子结构，称为“锁汉”。一般来说，分子通过强共价键结合，即共享电子，但在链状分子(如链状碳氢化合物)中，分子之间形成*的机械键，因此其各种组件可以像机器一样相对移动以执行任务。

随后，斯托达特在1991年完成了发展分子机器的第二步。他开发了“轮烷”，一种环状分子结构和轴向分子结构的机械组合。他把一圈环状分子穿到链状结构的分子轴上，并利用环状分子的*使它们绕轴来回运动，从而完全控制它们的运动状态。在轮烷研究的基础上，他成功地制造了大量不同的分子机器，包括分子起重机、分子肌肉和基于分子的计算机芯片。

而费里加完成了第三步，并成功开发了世界上第一台分子马达。1999年，费里加发明了一种分子转子叶片，它可以向同一个方向旋转:它包含两个相同的叶片单元。当分子暴露在紫外光脉冲下时，一个移动的叶片会围绕中间的双键跳动180度。然后，棘轮移动到指定位置。随着下一个光脉冲的到来，移动的叶片又跳了180度。如果这种情况持续下去，分子马达将向同一个方向旋转。现在，他的研究团队已经将它优化到每秒1200万转。他使用分子马达，驱动一个28微米长的玻璃圆筒，比马达本身大10，000倍。

这个小数字包含了无限的可能性。

颁奖当天，在回答瑞典皇家科学院的一个问题时，sawaki说他感觉自己就像100多年前第一次实现人类飞行梦想的莱特兄弟。那时，人们仍然在想为什么飞机会被发明。“但现在我们有了波音和空客。”

事实上，分子机器对我们来说就像电动机对19世纪的人们一样。当时，人们没有想到这些线圈和磁铁会在电车、洗衣机等的生活中扮演重要角色，并进入成千上万的家庭。

科学家表示，分子机器在未来的应用前景将是“无限的”:分子机器可以携带药物进行有针对性和准确的药物释放；它也可以成为高密度存储等的微型存储单元。

科学家认为分子机器的诞生是一场意义深远的革命。让机器人在血管中流动，然后发现恶性肿瘤组织，释放治疗癌症的药物并完全征服癌症是非常可能的。除了用于治疗疾病之外，考虑到分子机器的大小只有头发厚度的千分之一，它还可以被放置在体内以监测人体的健康状况，并用于预防疾病和其他方面。

伯纳德·费里加，分子马达的第一人

今年的诺贝尔化学奖无疑肯定了分子机器领域的发展方向。分子机器的出现，就像19世纪30年代电动机的出现一样，必将成为未来几年的研究重点。尽管这一领域还远未立即得到实际应用，但看到如何在分子水平上控制机器的运动还是令人震惊的。在未来，分子机器一定能够成功地敲开应用的大门，推动人类文明的进步。