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他们发明了世上最小的机器

三科学家分享诺贝尔化学奖,评委会称分子机器正如当年的电动马达一样。

让-皮埃尔•索瓦日 弗雷泽•斯托达特 伯纳德•费林加

迈向分子机器的第一步是索瓦日于1983年实现的,他成功将两个环状分子扣在一起,形成一种名为“索烃”的链条。

到了1991年,斯托达特实现了分子机器诞生的第二步,他成功合成了“轮烷”。

费林加则是研发出分子马达(分子发动机)的第一人。1999年,他研制了一个分子转子叶片,叶片能够朝着同一方向持续旋转。

据新华社电 瑞典皇家科学院5日宣布,将2016年诺贝尔化学奖授予让-皮埃尔•索瓦日、弗雷泽•斯托达特、伯纳德•费林加这三位科学家,以表彰他们在分子机器设计与合成领域的贡献。

让-皮埃尔•索瓦日出生在法国,目前在法国斯特拉斯堡大学工作;弗雷泽•斯托达特出生在英国,目前在美国西北大学工作;伯纳德•费林加出生在荷兰,目前在荷兰格罗宁根大学工作。
瑞典皇家科学院常任秘书戈兰•汉松于当地时间11时45分(北京时间17时45分)在皇家科学院会议厅公布了获奖者名单及获奖成就。

分子机器是指在分子层面的微观尺度上设计开发出来的机器,在向其提供能量时可移动执行特定任务。诺贝尔奖评选委员会在声明中说,这三位获奖者发明了“世界上最小的机器”,将化学发展推向了一个新的维度。

据介绍,三位获奖者完成了分子机器设计与合成的“三步走”:第一步,索瓦日成功合成了一种名为“索烃”的两个互扣的环状分子,而且这两个分子能够相对移动;第二步,斯托达特合成了“轮烷”,即将一个环状分子套在一个哑铃状的线形分子轴上,且环状分子能围绕这个轴上下移动,并成功实现了可以上升高度达0 .7纳米的“分子电梯”和可以弯折黄金薄片的“分子肌肉”;第三步,费林加设计出了在构造上能向一个特定方向旋转的分子马达,这个马达可以让一个28微米长、比马达本身大1万倍的玻璃缸旋转起来。有了这三步,分子机器就可以动起来了。

评选委员会表示,就像19世纪30年代,当电动马达被发明出来时,科学家未曾想过它会在电气火车、洗衣机、电风扇上等被广泛运用。而分子机器正如当年的电动马达一样,未来很有可能将用于开发新材料、新型传感器和能量存储系统等。

费林加在现场电话连线时说,得奖消息令自己“很震惊”,同时感到荣幸。他表示,荣誉属于全体科研合作者,大家的共同努力才成就了如此骄人的成果。费加林对其获奖成就解释说:“一旦在分子层面控制了运动,就为控制其他各种形式的运动提供了可能。这一研究成果为未来新材料的研发开启了广阔前景。”

今年诺贝尔化学奖奖金共800万瑞典克朗(约合93.33万美元),将由这三位获奖者平分。

今年的“分子机器的设计和合成”获奖,力压了此前大热的基因检测和基因编辑。汤森路透此前预测,香港中文大学的卢煜明教授和麻省理工学院(M IT )的华裔科学家张锋,是今年化学奖的大热门。卢煜明因其在孕妇血浆血中检测到胎儿游离D N A,从而取得了无创产前检测的革命性成果。1983年生于河北省石家庄的张锋,则因其在老鼠和人类细胞中应用C R ISPR -cas9基因编辑技术,而受到重视。

焦点科普

“分子机器”究竟是什么?

世界上存在小到只有千分之一头发丝粗细的机器吗?

这是一个关于科学家们如何将分子成功连接起来并设计出从微型电梯、微型发动机到分子肌肉的故事。

分子机器只有人类头发的千分之一那么大。根据诺奖官网的介绍,这是“世界上最小的机器”,包括一部微型“起重机”,几块人工“肌肉”和微型“马达”。

科学家是如何造出这个分子机器的呢?

所有的化学系统都力图达到平衡态,可以减少能量消耗,但是这也会形成“僵局”。

就像人的生命一样,人体内的分子可以从食物中获取能量,进而推动人体的分子系统远离平衡态,向更高水平的能量状态发展,这样人体才有可能利用这些能量推动肌体正常工作,维持生命。而一旦人体处于化学平衡态,人就会死亡。

三位科学家的研究促使分子系统摆脱平衡态,并能受控执行特定任务,为化学的发展开启了一个新世界。

根据诺奖官网介绍,总共需要三步,这三步分别由这三位科学家做出来的:

第一步 将两个环状分子连接在一起。

迈向分子机器的第一步是索瓦日于1983年实现的,他成功将两个环状分子扣在一起,形成一种名为“索烃”的链条。通常情况下,分子是由原子间共享电子对构成的强共价键连接而成,而“索烃”链上的分子间主要依靠相对较为自由的机械相互作用连接,不被任何价键连接。对于一个能够完成特定任务的机器来说,必须有能够相互移动的部件组成,而索瓦日实现了两个互锁环状分子的相对移动。

第二步 利用一个分子推动另一个分子运动

到了1991年,斯托达特实现了分子机器诞生的第二步,他成功合成了“轮烷”。轮烷是一个或多个环状分子和一个或多个哑铃状的线形分子为轴组成的分子集合。哑铃状线形分子作轴穿过环状分子的空腔,两端结合有体积较大分子以防止线形分子滑出,从而形成了稳定的轮烷结构。

基于上述研究成果,斯托达特的研究团队先后成功实现环状分子在线形分子表面上升0 .7纳米的“分子电梯”,用轮烷构成的“分子肌肉”成功弯折了一块很薄的金箔,还开发出一种基于轮烷的计算机芯片,被认为将来有望颠覆传统计算机芯片技术。

第三步 设计分子马达。

费林加则是研发出分子马达(分子发动机)的第一人。1999年,他研制了一个分子转子叶片,叶片能够朝着同一方向持续旋转。这个马达可以让一个28微米长、比马达本身大1万倍的玻璃缸旋转起来。2011年,费林加的研究小组在分子马达的基础上制造了一款四驱纳米汽车,一个分子底盘将4个分子马达连接在一起作为轮子,当分子马达旋转时,纳米汽车就能向前行驶。

至此,分子机器动起来了。

近年来,三位诺奖得主的成果已经成为全世界科研人员开发分子机器的“工具箱”,开创了分子机器的发展道路。目前已有科学家在轮烷的基础上建造出一个可以抓取并连接氨基酸的分子机器人;还有研究人员将分子马达和长聚合物相连,形成复杂的网络,将光能储存在分子中,有望开发出新型电池及光控传感器。

花絮

爆冷!化学奖终于颁给了化学家

昨天下午,就在这个奖项公布后不久,中科院化学研究所副研究员、中科院青年创新促进会理事梁福鑫在朋友圈写下一条评论:“回归化学!”什么意思?原来,近年来的诺贝尔化学奖屡被吐槽“所颁非人”。

梁福鑫认为,所谓“传统化学”,指的是分子合成,以及与分子性质有关的化学研究。然而在过去10多年里,诺贝尔化学奖多次颁给涉及生物、物理、生物化学、生物物理、物理等领域的研究,其中生物的占比最高。甚至有人调侃,获得化学奖的皆非化学家。比如去年诺贝尔化学奖得主的三位科学家试图攻克的是“DNA修复机制的研究与突破”这一生物学世界难题。前年获奖的是超分辨率荧光显微镜……

有人做过统计,进入21世纪,即从2001年开始,在过去已颁发的15年诺贝尔化学奖中,与生物相关的化学奖就达10次之多,而有机化学等传统意义上的化学研究只有5次。

其实诺贝尔奖的发起人阿尔弗雷德•诺贝尔自己就是一名化学家。化学奖是他在遗嘱里提到的第二个奖项。

所以有评论称,今年诺贝尔化学奖终于难得地颁给了纯化学的研究,却让很多人认为是“冷门”。

《南方都市报》

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