三位“世上最小机器”发明者分享2016年诺贝尔化学奖

2016-11-28秦雪编译

世界科学 2016年11期

秦雪/编译

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分子机器发明者：弗雷泽·斯托达特、伯纳德·费林加、让-皮埃尔·索瓦日

瑞典皇家科学院于当地时间10月5日宣布，2016年诺贝尔化学奖授予设计了世界上最小机器的让-皮埃尔·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）、弗雷泽·斯托达特（J.Fraser Stoddart）和伯纳德·费林加（Bernard L. Feringa）这三位科学家，以表彰他们设计制造出可移动分子的纳米机器，在分子机器设计与合成领域做出的开拓性贡献。

这种分子机器是世界上最小的机械设备，未来可用于制造新材料、传感器和能量存储系统。“就其未来发展前景而言，这种分子马达相当于19世纪30年代电动马达的初始发展阶段，当时科学家展示了电动马达带动旋转曲柄和轮子的奇迹，却未能预料到电动马达的发明孕育了更多新事物，如电动火车、洗衣机、电风扇和食物加工机器等。”瑞典皇家科学院宣布奖项时说。

这三位科学家将共享2016年诺贝尔化学奖奖金，计800万瑞典克朗（约合93万美元）。

成就介绍

创建纳米级结构的纳米技术研究领域，近几十年来成果斐然。现如今科学家们正在学习如何构建可移动的微型机器，这种机器极其微小，只有人类头发丝直径的千分之一。

创建分子机器的第一步是要有一个移动部件，化学家早就已经能够合成环状的分子，他们还知道如果能将环状分子环环相扣，就可作为分子机器的移动部件。但是如何将第二个环穿过第一个环呢？索瓦日博士在1983年时想到了解决办法。

他发现，带电铜离子可作为固定锁环的“销子”，两环相扣后，铜离子可被移除，这样的分子被称为索烃，分子以机械方式连在一起，就像链条间的链接，而不是通常的化学键连接方式。

1991年，斯托达特在环状分子的连接问题上取得了进展，当时在英国伯明翰大学的斯托达特博士和他的同事想到的办法不是将两个圆环相连，而是合成一种叫做轮烷的环状分子，环状分子里面包裹着一根哑铃状的轴，就像算盘上的珠子一样沿着哑铃轴来回滑动。

然后斯托达特博士构建了一个作为分子“算盘”的小型电脑芯片以及其他复杂的设备，由三个轮烷构成的环连接起来形成一个较大的平台，可提升0.7纳米，形成一种分子“电梯”，一层层薄薄的轮烷可像人造肌肉一样弯曲活动。

根据索瓦日博士和斯托达特博士发明的技术创建的分子能以复杂的方式产生扭曲。斯托达特博士在一次采访中说道，他的灵感来自于锁扣相连的凯尔特结艺术形式。

1999年，费林加博士成为开发分子马达的第一人，创建了一种极小的转子叶片，以朝着一个方向不断转动的光为动力。第一次制造出来的分子马达速度并不快，但15年后，通过他和他的研究小组的展示，分子马达的速度可提高到每秒钟旋转1200万次。2011年，他们建造了一个四轮驱动的分子“汽车”，四个分子马达作为车轮，连接在纳米“底盘”上。

瑞典皇家科学院于诺奖揭晓时称，这三位科学家所取得的成就促进了拓扑化学领域的发展，他们是纳米技术第二波发展的开拓者。同为诺贝尔奖得主的物理学家理查德·费曼早在1959年就预见到了这一点，他在1984年的一次有重要影响的演讲中提到了在分子尺度上的设计和工程学问题。

大自然在生物体中产生有大量的分子机器，用来帮助在细胞周围运送各种物质材料，构建蛋白质和分裂细胞等。相比之下，人工分子机器虽然仍显简单粗陋，但科学家们已经开始构想分子机器在未来的应用。

“我们可以想象一下纳米机器、微型机器人的应用，例如，未来的医生可将微型机器人注入病人的静脉血管，协助医生锁定癌细胞或递送药物等。”费林加博士在接受聚集在斯德哥尔摩的记者的电话采访时说道。

这一技术还可能导致创建基于外部信号而改变属性的“智能材料”。