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分子机器:难觅用武之地的微观世界“大力士”

每年诺贝尔奖都有些冷门,今年也不例外:民谣歌手鲍勃•迪伦“跨界”夺得文学奖;而在化学奖方面,三位从事基础化学研究的科学家因“分子机器的设计与合成”而获奖,多少出乎学界预料。

今年化学奖的三位获奖者分别为:来自法国斯特拉斯堡大学的让—皮埃尔•索瓦日、来自美国西北大学的J•弗雷泽•斯托达特爵士以及来自荷兰格罗宁根大学的伯纳德•L•费林加。

不少学者评论,“分子机器”属于比较前沿、基础的研究,距离应用尚远。似乎不符合诺奖偏重应用的“传统”。不过,这项研究获诺奖青睐,无疑是对基础科学研究的认可,这对于从事基础研究的科研人员来说,是激励与鼓舞。

成果如何 已制出分子电梯分子缆车等

何为分子机器?曾跟随斯托达特在西北大学读博士的浙江大学化学系研究员、博士生导师李昊这样描述:简单来说,就是生物体内那些像机器一样运转的东西,可用烧瓶、试管等仪器,用基本的非生命体化合物合成出来,并用这些非生命体的分子机器来模拟生命体的分子机器的运转。

人类能用自己的“巨手”造出微小尺度的机器吗?科学家有两种思路:一种是通过制造比人类手更小的机器,由它再制造更小的机器。

另一种是曾经的诺贝尔物理学奖获得者理查德•费曼的构想:在例如硅表面上,由下而上地喷射一层又一层原子,之后将一些层溶解,从而得到可使用电流来控制的移动部件。

事实上,早在费曼提出其构想前,科学家们就尝试用多种方式把分子连接起来,以实现某种功能。获得今年诺贝尔化学奖的科学家索瓦日,在1983年成功地将两个环状分子连接在一起,形成了一条特殊的“分子锁链”,学名“索烃”。

索瓦日的办法是“辅助连接体法”:这种方法借用一个一价铜离子,将一个半圆形分子和环状分子吸引在一起,再将两个半圆形分子“焊死”成一个环,从而达成“一环套一环”的效果。至今,科学家们已经制造了类似奥运五环和央视台标等多种多样的“分子锁链”。

更进一步,上世纪90年代,获得今年诺贝尔化学奖的科学家斯托达特设计出了“轮烷”:简单来说,就是将一个分子环套在一个长条状的哑铃状分子上,在这条轴的两端设置有键连接点,通过改变环境的PH值,就能控制分子环在连接点来回移动。而除了用PH值控制开关外,随后科学家们又研究出可用光、热乃至某些特定化学物质控制的开关。

在超分子领域颇有建树的化学家——中国科学院化学研究所研究员、博士生导师陈传峰认为,这两位科学家开创了利用互锁型有机超分子组装体构筑分子机器的研究方向。“(索瓦日的研究)打开了基于互锁型有机超分子组装体构筑分子机器研究的大门;斯托达特利用他们自己发展的环蕃类大环主体,首次通过给体与受体之间的相互作用制备了轮烷型超分子组装体,为分子机器的设计和构建奠定了坚实的基础。”陈传峰说。

他介绍,此后,科学家基于互锁型有机超分子组装体,设计合成了多类分子机器,例如:分子电梯、分子肌肉、分子缆车和分子滑轮等。

面临挑战 科学家发愁“最小机械”怎么用

在索瓦日等科学家的研究基础上,费林加首先研究出了能够做功的分子马达。在1999年,他制作了一个分子转子叶片,能够持续朝一个方向旋转。

“不同于索瓦日和斯托达特,费林加的分子机器主要利用具有拥挤结构的烯烃类有机分子,巧妙地设计合成了一类可重复进行单向旋转的分子马达。这种分子马达在光和热的驱动下进行旋转,可驱动比其自身大数千倍的物体运动。”陈传峰解读道。

颇为有趣的是,2011年,费林加团队制作了一个纳米尺度的“小车”,同汽车一样,它也有底盘,有四个车轮,通过分子马达车轮旋转向前行驶。当然,从宏观视角来看,这台“车”如果与乌龟赛跑的话,乌龟的速度可说是风驰电掣,因为这台车的速度仅为每小时几纳米。
所谓马达,与锁链、开关、电梯等最大的不同在于,它能够做功,也即能够进行能量输出,如人体的肌肉纤维,是一种比“分子车”等复杂千百倍的分子马达。目前,包括三位获奖科学家在内的多个团队已制造出用光、电、化学能等驱动的分子马达,但就像费林加所说的,“人工设计的分子马达还只具有初级的、简单的结构和功能”。

对此,科学家也发愁这种“最小的机械”到底能怎么用,甚至连研制出分子马达的费林加也曾表示,“我们已制造出五六十种不同的马达,我现在更关心的是怎么使用它们,而不是再造出一种新的马达来。”

不过,对于分子马达,诺奖委员会给出了这样的评价:“从历史发展来看,分子马达和1830年代的电动机的地位相似,当时科学家们展示了各种各样的旋转曲柄和轮子,却并不知道这些东西最终将导致电车、洗衣机、风扇以及食品加工机的产生。”

为使分子机器更好地发展以接近实际应用,陈传峰认为,至少可从以下几方面来继续研究:“首先是分子机器理论的突破,比如分子机器的设计方法、原理以及确定分子机器做功参数。其次是能够做功和响应刺激分子机器的设计与构建,如何利用目前已积累的功能基团来构造复杂的、多功能的精巧分子机器,仍是一个挑战与难题。

另外,陈传峰指出,“当前绝大多数分子机器研究集中在溶液中,将分子机器与外界整合是实现其对外部环境做功的重要途径,这可能也是分子机器由基础研究走向实际应用需要解决的问题之一。”

陈传峰还告诉记者,“今年的诺贝尔化学奖由相对基础的‘纯化学’领域获得,无疑是对基础科学研究的认可,这对于从事基础研究的科研人员来讲是个激励与鼓舞。”

■延伸

中国起步较晚但成果已不少

“2006年,‘分子机器’项目作为一项前沿研究入选了国家重点基础研究发展计划(973计划)。”陈传峰介绍,我国在分子机器领域的研究起步较晚,但也逐渐形成了一些具有重要影响的研究团队,在分子机器的设计合成等方面取得了不少具有特色的创新成果。

也有评论认为,包括陈传峰团队在内,在“分子机器”相关领域,我国多个研究团队的贡献也是“世界级”的。

另外,本次诺贝尔化学奖得主之一斯托达特,除了在美国西北大学有教职外,同时也以兼职教授身份受聘于天津大学。据天津大学新闻网介绍,2014年7月,斯托达特受聘成为天津大学药学院教授,并带来其科研团队的三位核心成员在天津大学全职工作。他每年则在天津大学工作两个月,面向本硕博学生开设课程。另两位获奖学者和国内高校、科研人员交流也很频繁。

谈及这次诺奖结果,陈传峰表示,分子机器获奖为有机超分子化学的研究带来了新的契机,是有机超分子化学研究的“第二春”。

陈传峰特别提到,不同于大多数获奖项目,分子机器尚是一个十分“年轻”的研究领域,我们仍旧可以大有作为。“这次诺贝尔化学奖颁奖结果,相信会激励更多学者踏踏实实地投身于基础科学研究领域”。

具体到国内,陈传峰说:“过去一二十年,国家在基础研究领域也有比较大的投入,硬件设施逐步完善并达到了国际先进水平,在国内进行基础研究的环境,总体上是良好的。”

“从自身的角度讲,热爱和兴趣是做好科研的必备要素。我们不仅需要花费很多时间进行知识储备,去从战略上把握学科发展的重点与难点,甚至于引领学科的发展,还需要投入大量的精力在实验探索上。总之,基础科研需要我们有热爱和奉献精神。”陈传峰说。(王诗堃)

《南方日报》

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