“純化學(xué)”科學(xué)家研發(fā)最小“機(jī)器”

  近日，2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)在瑞典斯德哥爾摩公布 ，法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)的讓-皮埃爾·索瓦日教授、美國(guó)西北大學(xué)的弗雷澤·斯托達(dá)特爵士以及荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·L·費(fèi)林加教授獲此殊榮，獲獎(jiǎng)理由是“分子機(jī)器的設(shè)計(jì)與合成”。據(jù)介紹，它有望用于更精準(zhǔn)的疾病檢測(cè)、藥物輸送，超高密度信息存儲(chǔ)、能量存儲(chǔ)，新材料、傳感器等眾多領(lǐng)域，應(yīng)用前景不可限量。 　

　什么是分子機(jī)器 　　據(jù)復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系黎占亭教授介紹，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，分子機(jī)器是在分子水平上，由一個(gè)分子或幾個(gè)分子，通過(guò)分子的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)宏觀機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。 　　黎占亭介紹，第一位獲獎(jiǎng)?wù)咦?皮埃爾·索瓦日教授的導(dǎo)師曾于1987年因“超分子化學(xué)”獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。此次讓-皮埃爾·索瓦日教授的貢獻(xiàn)在于第一個(gè)在分子機(jī)器研發(fā)領(lǐng)域開(kāi)展工作。1983年，他通過(guò)配位作用，構(gòu)建超分子結(jié)構(gòu)，成功地將兩個(gè)環(huán)形分子連接起來(lái)，形成了一根鏈。一架機(jī)器要能執(zhí)行任務(wù)，其各個(gè)組成部分之間必須具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的能力，這兩個(gè)相互扣合的環(huán)形分子正好符合這個(gè)要求。 　　華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授、中科院院士田禾介紹，1991年，美國(guó)化學(xué)家斯托達(dá)特第一個(gè)提出“分子梭”概念，即在一個(gè)剛性棒狀分子上套一個(gè)分子大環(huán)——輪烷，分子大環(huán)能在分子棒上來(lái)回穿梭。“在給予能量后，分子機(jī)器的各個(gè)模塊就會(huì)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，像我們熟悉的機(jī)器那樣”。 　　第三位獲獎(jiǎng)?wù)卟{德·L·費(fèi)林加教授則是研究出分子馬達(dá)的第一人，在光控單分子馬達(dá)領(lǐng)域有開(kāi)創(chuàng)性的工作。田禾介紹，費(fèi)林加合成的是“分子馬達(dá)”，它有一個(gè)固定基座，位于基座上部的分子會(huì)做360度定向轉(zhuǎn)動(dòng)，與宏觀世界的機(jī)械馬達(dá)很像。1999年，他研究出分子旋轉(zhuǎn)葉片。利用分子馬達(dá)，他讓一個(gè)比馬達(dá)大上1萬(wàn)倍的玻璃杯成功旋轉(zhuǎn)。 　　“今年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家研制出了三種分子機(jī)器，其狀態(tài)各不相同。他們的開(kāi)創(chuàng)性工作讓人類認(rèn)識(shí)到，可用分子為材料，設(shè)計(jì)、建造微觀世界的機(jī)器。”田禾說(shuō)。
 　分子機(jī)器有何意義和應(yīng)用價(jià)值 　　分子機(jī)器的問(wèn)世有什么意義和應(yīng)用價(jià)值？田禾說(shuō)，生物體內(nèi)的很多活動(dòng)，其實(shí)都有賴于分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)?？茖W(xué)家研究細(xì)胞分裂、DNA復(fù)制、物質(zhì)運(yùn)輸、肌肉收縮等生命活動(dòng)，追溯到分子層面后，發(fā)現(xiàn)它們都是眾多分子機(jī)器做功的結(jié)果。因此，化學(xué)家可以和生命科學(xué)家合作，通過(guò)設(shè)計(jì)、合成分子機(jī)器來(lái)模擬各種生命現(xiàn)象。 　　分子機(jī)器還能用來(lái)存儲(chǔ)信息，構(gòu)建神奇的“分子計(jì)算機(jī)”。2007年，斯托達(dá)特帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出一種能超高密度存儲(chǔ)信息的分子芯片，其存儲(chǔ)密度達(dá)到了2020年硅基芯片的水平。華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授曲大輝解釋說(shuō)，硅基芯片的信息存儲(chǔ)密度遵循摩爾定律(在價(jià)格不變情況下，集成電路上可容納的元器件數(shù)目和性能，每隔18—24個(gè)月會(huì)提高1倍)，但這個(gè)定律會(huì)遇到發(fā)展瓶頸，而分子芯片能實(shí)現(xiàn)分子尺寸上的信息存儲(chǔ)，所以不遵循摩爾定律，在存儲(chǔ)密度上能大幅超越硅基芯片。 　

　諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)指出，目前，分子機(jī)器處在概念應(yīng)用階段，盡管“分子機(jī)器”目前還沒(méi)有實(shí)際的應(yīng)用，未來(lái)它會(huì)怎樣改變?nèi)祟惖纳?？?jù)介紹，它有望用于更精準(zhǔn)的疾病檢測(cè)、藥物輸送，超高密度信息存儲(chǔ)、能量存儲(chǔ)，新材料、傳感器等眾多領(lǐng)域，應(yīng)用前景不可限量。