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2016年諾貝爾化學獎解讀

本屆諾貝爾化學獎似乎是物理獎的連續劇。為了更形象地解釋諾貝爾化學獎的關鍵成果——將環狀分子互鎖成鏈狀或結狀結構的機械鍵——諾貝爾組委會再次選用面包來形象說明,他們拿出兩個套在一起的面包圈,解釋一對彼此獨立但又相連的分子。

瑞典皇家科學院宣布將2016年度諾貝爾化學獎授予讓-皮埃爾·索瓦日、弗雷澤·斯托達特和伯納德·費林加三位科學家,因為他們在“設計和合成分子機器”領域的開創性研究,而這些研究的起點是從機械鍵開始的。

從機械鍵到分子鏈

早在上世紀50年代,為了創建更加高級的分子結構,一些化學家就提出了機械鍵的概念。

分子間相互作用一般是通過不同分子內原子間共用電子形成強有力的共價鍵,但環狀分子通過機械鍵相互作用,原子間并不直接相互作用,因此鍵力更“松散”,兩個分子能夠相互活動,從而構建出想要的分子機器。

機械鍵提出后的最初十年,一些科研團隊在實驗室合成分子鏈,始終無法達到實用需求。隨后幾年,該領域研究一直不見成效。

但1983年的一個巨大突破完全扭轉了局面:法國科學研究中心主任讓-皮埃爾·索瓦日帶領團隊利用普通的銅離子,將兩個分子環互鎖成分子鏈,且形成分子鏈的分子占比達到了驚人的42%之多。分子鏈從此不再只是傳奇,大步踏上功能化學行列。

索瓦日將兩個環狀分子互鎖相連的分子鏈取名為“索烴”,隨后他和斯托達特基于索烴研發出三葉結、博羅環和所羅門結等具有文化象征意義的分子結構。但這些只是鋪墊,2016年諾貝爾化學獎的主角是分子機器。

 分子機器預言成真

關于分子機器,著名的諾貝爾獎獲得者理查德·費曼曾指出,未來我們會用分子造出含有多個活動部件的機器,這種機器小到只有用電子顯微鏡才能看到,“未來25年到30年內,這種分子機器會獲得實際運用,但最先用的是什么機器,我不知道。”

費曼的預言似乎成真了。索瓦日的索烴結構讓他成功跨出了分子機器研發的重要第一步:索烴內機械鍵允許兩個分子進行相對運動,滿足了機器執行任務的基本條件。1994年,他的團隊通過施加能量,成功讓索烴內的一個環繞著另一個環按一定方式旋轉。

斯托達特于1991年研發出一種名叫“輪烷”的分子結構,邁出分子機器研究的第二步:將一個分子環串到一根分子軸上,并證明分子環能沿著分子軸像織布梭一樣前后穿梭。1994年之后,斯托達特的研究團隊基于輪烷研制出不同的分子機器,包括能升高0.7納米的分子電梯,能將一塊超薄金片彎曲的分子肌肉,以及能儲存20000字節數據的分子芯片,有望像硅基晶體管一樣給計算機技術帶來革命性變化。

從1990年代開始,許多科學家競相研制分子馬達,但伯納德·費林加成為第一個沖過終點的科學家。1999年他研制出世界上第一個分子馬達,并成功通過機械作用讓一個分子馬達的葉片沿著一個方向持續螺旋轉動。經過不斷優化,2014年他的分子馬達轉速已達到每秒1200萬轉。之后,費林加團隊又成功設計出用四個分子馬達當車輪、能沿著平面前進的納米車。

開創化學研究新局面

這些能獲得諾貝爾獎這一至高榮譽的分子機器研究,打破了化學領域多年來尷尬的局面。分子馬達可與1830年代的電動機相提并論,這些分子機器將廣泛用于研發新材料、傳感器和能源儲存系統等領域。

首先,這些分子機器的研發可為全世界正在研發越來越高級化合物的科學家提供工具箱,比如2013年科學家成功以輪烷為基礎開發出分子機器人,它能抓取氨基酸并將氨基酸連接起來形成新的蛋白結構。

再有,科學家成功將分子馬達與長鏈聚合物相連,當暴露在陽光下時,這些馬達會將聚合物卷成雜亂的捆狀,通過這種方式把光能儲存在分子中,有望研發出一種全新的電池。馬達與聚合物纏繞也會讓材料收縮,因此也能用來研制對光敏感的傳感器。